ГИБРИДНОЕ МОДЕЛИРОВАНИE ДЛЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

DOI 10.36622^Ти.2021.17.4.017 УДК 621.396

ГИБРИДНОЕ МОДЕЛИРОВАНА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ

С.М. Фёдоров1'2, Е.А. Ищенко1, К.А. Бердников1, Б.А. Шиянов2, А.А. Козлова2

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассматриваются методы моделирования сложных электродинамических структур, которые состоят из антенны и объекта-носителя, размеры которого превышают 100 длин волн. При выполнении моделирования предлагается рассчитывать характеристики антенны с использованием метода конечного интегрирования, а при установке на платформу-носитель - с использованием метода геометрической дифракции и физической оптики. Развитие современных вычислительных сред позволите реализовать систему гибридного моделирования, которая позволяет достичь высокой производительности, автоматизации и точности результатов полученного моделирования. При выполнении исследования изучалась ситуация с установкой антенны спутникового позиционирования на подводной лодке, причем размеры носителя антенны превышали 800 длин волн, что делало невозможным применение метода конечного интегрирования для решения задачи. Pассматривается три способа решения поставленной задачи: с использованием диаграммы направленности и ее ручным переносом на место планируемой установки антенны, однонаправленного метода гибридного моделирования с применением источника ближнего поля, гибридного моделирования с обратной связью между проектами. Получено, что наибольшую точность обеспечивает метод гибридного моделирования с обратной связью, однако его применение требует высокой скорости накопителя данных, а также занимает длительное время. Самым скоростным методом является метод гибридного моделирования с однонаправленной связью, так как обеспечиваются автоматизированный расчет и решение поставленной задачи

Ключевые слова: aсимптотические методы моделирования, метод конечного интегрирования

Введение

Решение электродинамических задач с использованием щ современного программного обеспечения является важной задачей, что позволяет осуществить решение инженерных задач с высокой точностью. Однако решение сложных задач требует применения мощных вычислительных машин, так как в процессе выполнения решения задачи происходит дискретизация структуры и пространства. Если же геометрические размеры структуры значительно превосходят длины волн, применяются гибридные методы моделирования или асимптотические технологии решения задач.

Методы выполнения электродинамического моделирования

Большинство современных программных пакетов электродинамического моделирования позволяют реализовать ряд вычислителей, которые предназначены для решения задач (рис. 1).

Базовым методом решения электродинамических задач является метод Вейланда [1, 2], (Метод конечного интегрирования (МКИ)), ко-

© Фёдоров С.М., Ищенко Е.А., Бердников К.А., Шиянов Б.А., Козлова А.А., 2021

торый реализован во временном вычислителе (Т на рис. 1). В процессе вычисления характеристик среды на основе уравнений Максвелла в интегральной форме выполняется дискретизация объекта с уплотнением сетки около проводящих поверхностей, что приводит к большому числу ячеек, в которых требуется выполнить расчет. Если размеры структуры очень большие, то вычисление данным методом невозможно с текущим уровнем мощности вычислительных машин.

Г. . ГЛ ГЛ ПЧ ГД ГТ2

Е1.

1А ЮЛ

100Л

1000Л

юооол

41

и

I

Рис. 1. Зависимость оптимальности применения вычислителя от размеров объекта

Если размеры объекта значительно превосходят 100 длин волн, применяют асимптотический метод решения задачи, в основе которого лежит технология геометрической дифракции и физической оптики (SBR) [2, 3]. Применение

данного метода обусловлено тем, что на больших расстояниях поведение электромагнитных волн начинает подчиняться законам геометрической оптики. Данная технология позволяет с высокой точностью рассчитывать характеристики антенн, которые установлены на крупных объектах [4, 5], а также при расчетах эффективной поверхности рассеяния тел [6, 7].

Для повышения эффективности расчетов применяется гибридный метод решения электродинамического моделирования, который позволяет рассчитать малые компоненты с использованием метода Вейланда, тем самым обеспечив высокую точность расчетов, а моделирование на носителе происходит с использованием асимптотического метода. В гибридном методе выделяют две технологии: однонаправленного моделирования, моделирование с обратной связью.

При выполнении расчетов в однонаправленном режиме полученные результаты расчетов передаются в проект платформы в виде источника ближнего поля, после чего происходит расчет итоговых параметров на основе асимптотического метода.

При моделировании с обратной связью происходит взаимный обмен результатов моделирования между вычислителями, что позволяет учесть дополнительные потери, которые вносит платформа в распространение радиоволн, что позволяет повысить точность расчетов.

Исследуемая задача

В процессе исследования требовалось изучить характеристики антенны спутникового местоположения на основе круговой поляризации, установленной на подводной лодке. Конструкция антенны приводится на рис. 2.

Рис. 2. Модель антенны

Удобство данной антенны состоит в ее малых размерах, что позволяет обеспечить удобную установку и раскладывание на подвижной платформе подводной лодки. Антенна, установленная на носитель, приводится на рис. 3.

Рис. 3. Модель подводной лодки с установленной антенной

Размеры подводной лодки 150 м, таким образом, если учесть, что длина волны на частоте 1,61 ГГц составляет:

Я = £= 0,186 м (1)

где А - длина волны, м;

с - скорость света в вакууме; f - частота, Гц.

Таким образом, размеры тела составляют 806А, использование для решения данной задачи МКИ привело бы к необходимости расчета 51 838 969 572 ячеек, что потребовало бы более 2,5 ТБ оперативной памяти, большой вычислительной мощности, а также моделирование заняло бы большой промежуток времени. Применение же гибридной технологии позволяет снизить нагрузку, так как антенна, рассчитываемая с использованием МКИ, требует для расчета 771 012 ячеек, а подводная лодка при использовании асимптотического вычислителя 6 531 211 отражающих поверхностей. Произведем анализ возможных технологий и методов расчета антенны на носителе.

Моделирование с использованием диаграммы направленности

Первым методом решения поставленной задачи является передача диаграммы направленности из проекта моделирования антенны (отдельно Т-вычислителем) в проект платформы (А-вычислитель) - рис. 4.

Рис. 4. Моделирование базовым методом

Полученные результаты расчета во временном вычислителе (T) передаются в проект носителя, где методом SBR происходит пересчет диаграммы направленности. На рис. 5 приводятся диаграммы направленности, рассчитанной в проекте антенны, и установленной диаграммы направленности.

РаЛИ Gau Ab» (rtn.Q)

ТИйл ! Orgee .'■ da

а)

Farfetd Diecovty Abs {Ptt*0)0

"Ржа / DiKKet vs. d&

б)

Рис. 5. Полученные диаграмма: направленности: а) для антенны без подводной лодки; б) с диаграммой направленности, установленной на подводной лодке

Как видно по полученным результатам, установка антенны приводит к возникновению помех, которые вызваны отражениями и дифракцией электромагнитных волн от корпуса. Также погрешность возникает ввиду выбора шага записи диаграммы направленности при использовании метода SBR, так как сканирова-

ние выполняется с шагом 5 градусов, КНД антенны составил 3,95 дБи.

Удобство данного метода состоит в его быстродействии, однако большим недостатком является наличие двух отдельных проектов моделирования и необходимости ручного переноса результатов и позиционирования на корпусе носителя.

Моделирование с использованием гибридного однонаправленного режима

Применение технологии гибридного однонаправленного режима позволяет достичь автоматизации в передаче результатов из подпро-екта моделирования антенны в проект с установленной антенной на ПЛ. В данном случае для моделирования применяются источники ближнего поля (NFS), которые записывают картины E и H - компоненты полей на частоте моделирования, на основе чего происходит моделирование методом SBR (рис. 6).

Рис. 6. Алгоритм работы однонаправленного гибридного моделирования

В результате произведенного моделирования в итоговом проекте выполняется построение диаграммы направленности антенны, установленной на подводной лодке (рис. 7).

¡(.С* I Оедгм '■'■ ПИ

Рис. 7. Диаграмма направленности, полученная с использованием гибридного моделирования в однонаправленном режиме

Как видно на основе полученных результатов, моделирование с использованием источника ближнего поля позволяет повысить точность рас-

четов и эффективность получения результатов, так как моделирование происходит внутри одного проекта на основе собранной итоговой модели. КНД итоговой диаграммы направленности составил 5,14 дБи, неравномерность картины ДН так же, как и в методе, основанном на передаче диаграммы направленности в проект подводной лодки, вызвано шагом просчета в 5 градусов.

Моделирование с использованием гибридного режима с обратной связью

Самым передовым среди методов моделирования сложных электродинамических структур является гибридный метод с обратной связью, что позволяет учитывать в проектах моделирования взаимные помехи, которые вносят платформа, антенна и окружающие компоненты. Схема выполнения моделирования приводится на рис. 8.

Рис. 8. Алгоритм работы гибридного моделирования с обратной связью (ВьБггеС;юпа1)

Внедрение данного метода моделирования позволяет достичь высокой точности, однако требует большого времени моделирования, так как происходит несколько пересчетов проекта с учетом потерь. Таким образом, удалось достичь результатов, которые приведены на рис. 9.

Как видно по полученным результатам, направление излучения антенны определяется отражениями радиоволн, которые возникают от радиорубки подводной лодки, также видно, что данный метод позволяет добиться точности сканирования диаграммной направленности в 1 градус, КНД составил 3,98 дБи.

Благодаря такой высокой точности данный метод является самым перспективным для моделирования сложных электродинамических структур. Однако недостатком данного метода является его время моделирования и зависимость от скорости накопителя данных.

Заключение

В работе было произведено моделирование крупной электродинамической задачи, которая представляет собой размещение антенны для системы спутникового позиционирования на подводной лодке.

Применение современных методов электродинамического моделирования позволит добиться решения задач любой сложности с очень высокой точностью.

Литература

1. Weiland T.A. Discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields // Electronics and Communication, 1977. V. 31. Pp. 116-120.

2. Банков С.Е., Курушин А.А. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР. М., 2008. 276 с.

3. Cong Z., He Z., Chen R. An Efficient Volumetric SBR Method for Electromagnetic Scattering from In-Homogeneous Plasma Sheath // IEEE Access. 2019. Pp. 1-1.

4. Kipp R.A., Capoglu I. Extending shooting-and-bouncing rays method with uniform theory of diffraction for installed antennas // 2014 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI). 2014. Pp. 2198-2199.

5. Fan T., Guo L., Liu W. A Novel OpenGL-Based MoM/SBR Hybrid Method for Radiation Pattern Analysis of an Antenna Above an Electrically Large Complicated Platform // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2016. Vol. 16. No 1. Pp. 201-209.

6. Smit J.C., Cilliers J.E., Burger E.H. Comparison of MLFMM, PO and SBR for RCS investigations in radar applications // IET International Conference on Radar Systems. 2012. Pp. 1-5.

7. Xu W., Guo L., Chai S. Improved SBR Method for Backward Scattering of Ship Target Under Shallow Sea Background // 12th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory. 2018. Pp. 1-4.

Рис. 9. Диаграмма направленности, полученная с использованием гибридного моделирования с обратной связью

Поступила 26.05.2021; принята к публикации 20.08.2021 Информация об авторах

Фёдоров Сергей Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем, Воронежский государственный технический университет (394006, Россия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84); доцент кафедры инфор-

мационной безопасности и систем связи, Международный институт компьютерных технологий (394026, Pоссия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163 Ищенко Евгений Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Pоссия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792 Бердников Кирилл Алексеевич - студент, Воронежский государственный технический университет (394006, Pоссия, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru

Шиянов Борис Анатольевич - канд. техн. наук, профессор, Международный институт компьютерных технологий (394026, Pоссия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru

Козлова Анастасия Александровна - ассистент, Международный институт компьютерных технологий (394026, Pоссия, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru

HYBRID MODELUNG FOR ELECTRODYNAMIC ANALYSIS OF LARGE-SIZED OBJECTS

S.M. Fyedorov1,2, E.A. Ishchenko1, K.A. Berdnikov1, B.A. Shiyanov2, A.A. Kozlova2

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technologies, Voronezh, Russia

Abstract: the article discusses methods for modeling complex electrodynamic structures, which consist of an antenna and a carrier object whose dimensions exceed 100 wavelengths. When performing the simulation, we propose to calculate the characteristics of the antenna using the finite integration method and installed on the carrier platform using the method of geometric diffraction and physical optics. The development of modern computing environments has made it possible to implement a hybrid simulation system, which allows achieving high performance, automation, and accuracy of the results of the simulation. When performing the study, we studied the situation with the installation of a satellite positioning antenna on a submarine, and the dimensions of the antenna carrier exceeded 800 wavelengths, which made it impossible to use the finite integration method to solve the problem. The paper considers three ways to solve the problem posed: using the radiation pattern and its manual transfer to the site of the planned antenna installation, unidirectional hybrid modeling method using a near-field source, hybrid modeling with feedback between projects. We found that the highest accuracy is provided by the method of hybrid simulation with feedback, but its application requires a high speed of the data accumulator, and also takes a long time. The fastest method is the method of hybrid modeling with unidirectional communication, as it provides an automated calculation and solution of the problem

Key words: asymptotic modeling methods, finite integration method

References

1. Weiland T.A. "Discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields", Electronics and Communication, 1977, vol. 31, pp. 116-120.

2. Bankov S.E., Kurushin A.A. "Electrodynamics and microwave technology for CAD users", Moscow, 2008, 276 p.

3. Cong Z., He Z., Chen R. "An Efficient Volumetric SBR method for electromagnetic scattering from in-homogeneous plasma sheath", IEEE Access, 2019, pp. 1-1.

4. Kipp R.A., Capoglu I. "Extending shooting-and-bouncing rays method with uniform theory of diffraction for installed antennas", 2014 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI), 2014, pp. 2198-2199.

5. Fan T., Guo L., Liu W. "A novel OpenGL-based MoM/SBR hybrid method for radiation pattern analysis of an antenna above an electrically large complicated platform", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2016, vol. 16, no. 1, pp. 201-209.

6. Smit J.C., Cilliers J.E., Burger E.H. "Comparison of MLFMM, PO and SBR for RCS investigations in radar applications", IET International Conference on Radar Systems, 2012, pp. 1-5.

7. Xu W., Guo L., Chai S. "Improved SBR method for backward scattering of ship target under shallow sea background", 12th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory, 2018, pp. 1-4.

Submitted 26.05.2021; revised 20.08.2021

Information about the authors

Sergey M. Fyedorov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9027-6163

Evgeniy A. Ishchenko, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: kursk1998@yandex.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5270-0792

Kirill A. Berdnikov, student, Voronezh State Technical University (84 20-letiya Oktyabrya str., Voronezh 394006, Russia), tel. +7 (473)243-77-29, e-mail: kir_ber@mail.ru

Boris A. Shiyanov, Cand. Sc. (Technical), Professor, International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru

Anastasiya A. Kozlova, Assistant, International Institute of Computer Technologies (29 b Solnechanya str., Voronezh 39026, Russia), tel. +7 (473) 243-77-29, e-mail: fedorov_sm@mail.ru