CC BY
34
СИНТЕЗ ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
Мищенко Сергей Евгеньевич
д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник Ростовского-на-Дону научно-исследовательского института радиосвязи, г. Ростов-на-Дону, Россия, mihome@yandex.ru
Шацкий
Виталий Валентинович
к.т.н., с.н.с., старший научный сотрудник Ростовского-на-Дону научно-исследовательского института радиосвязи, г. Ростов-на-Дону, Россия, VshatsV@yandex.ru
Землянский Сергей Владимирович
к.т.н., преподаватель Краснодарского высшего военного училища имени генерала армии С.М. Штеменко г. Краснодар, Россия, zems1980@rambler.ru
и £
О л л С
Ключевые слова:
входное сопротивление; коэффициент отражения; симметричный вибратор; широкополосная антенна; генетический алгоритм.
Основным способом решения проблемы широкополосности является создание излучателей с медленно меняющимся входным импедансом в полосе частот. Одним из приемов является усложнение распределения тока в излучателе за счет перехода от линейной антенны к плоскому излучателю. Рассмотрен синтез широкополосной вибраторной антенны на основе скрещенных вибраторов, в которых ортогональные компоненты токов являются независимыми. Данная антенна состоит из трех взаимно ортогональных симметричных вибраторов с совмещенными фазовыми центрами с заданной длиной плеча и радиусом проводника. Фидерный тракт состоит из сумматора (делителя) мощности «на три», четвертьволновых трансформаторов сопротивлений и отрезков линий передачи, параметрами которых являются волновое сопротивление и длина фидера. Задача синтеза сводится к решению задачи о минимизации модуля коэффициента отражения антенны в полосе частот, зависящего от девяти параметров: длин плеч, радиусов и длин фидеров каждого из трех вибраторов с помощью генетического алгоритма. Использование генетического алгоритма для решения задачи синтеза широкополосного излучателя позволило установить, что с точки зрения выбранного критерия качества могут быть получены различные решения, обладающие близким качеством. Входной импеданс отдельного вибратора в задаче синтеза рассчитывался на основе «метода эквивалентных схем». Полученные результаты позволили сформировать частотную зависимость входного сопротивления антенны, у которого реальная часть в заданном интервале частот от 196 до 396 МГц (центральная частота 296 МГц) практически неизменна и колеблется вблизи 50 Ом, а мнимая часть колеблется вблизи нулевого уровня. Численные результаты подтверждают возможность применения процедуры узкополосного согласования для отдельных антенных элементов системы излучателей с целью расширения рабочей полосы всей системы (для приведенного примера это расширение составило 87 %). Предлагаемый метод относится к классу методов конструктивного синтеза антенн и позволяет при определенных модификациях и ограничениях стать основой для решения целого ряда практически важных задач создания широкополосных антенн.
RF TECHNOLOGY AND COMMUNICATION
Основным элементом системы радиотехнической разведки (СРР) является приемник, с помощью которого определяется частота перехватываемого излучения. В процессе сбора и обработки информации в информационном поле приемник СРР должен быть согласован с антенной в заданном диапазоне частот, существенно определяемом ее свойства. Поэтому при проектировании антенн СРР необходимо уметь синтезировать их требуемые свойства.
В работах [1-4] был предложен сложный широкополосный излучатель, состоящий из трех взаимно ортогональных симметричных вибраторов. Рабочая полоса излучателя, равная 85%, обеспечивалась за счет решения задачи узкополосного согласования каждого вибратора с фидерным трактом. Это потребовало решать задачу оптимизации излучателя по критерию минимума квадрата модуля коэффициента отражения на входе фидера в выбранной полосе частот. Искомыми параметрами являлись длины и радиусы вибраторов, а также длины питающих вибраторы линий передачи. Для решения данной задачи был предложен градиентный метод оптимизации, который показал свою работоспособность. В то же время применение градиентного подхода оставляет ряд вопросов. Главным из них является вопрос о соответствии полученного в работах [1-4] решения глобальному экстремуму выбранного критерия. Наличие локальных экстремумов при различных начальных параметрах итерационного процесса может приводить к различным по качеству решениям. В связи с этим представляет интерес проверка полученного в [1-4] решения с помощью подхода, основанного на принципе направленного перебора. К числу методов, реализующих этот принцип, относятся, например, генетические алгоритмы [5-8] и алгоритм РБО [9-11].
Цель работы состоит в решении задачи выбора параметров широкополосного излучателя из трех взаимно ортогональных симметричных вибраторов на основе генетического алгоритма.
Рассмотрим задачу определения оптимальных параметров системы вибраторов и фидерного тракта с делителем, представленную на рис. 1. Искомыми параметрами задачи являются:длины/, и радиусыг, симметричных вибраторов, а также отрезки линий передачи длиной Ьа (а = х, у, I). Пусть фидерный тракт состоит из равномерного сумматора «на три» (1 вход сумматора имеет волновое сопротивление 50 Ом, а остальные 150 Ом), четвертьволновых трансформаторов сопротивлений линий передачи с волновым сопротивлением 1, к волновому сопротивлению 150 Ом (блоки 1-3) и отрезков линий передачи с волновым сопротивлением 1, и длиной Ь, необходимых для согласования линии передачи с вибраторами. 1Ыа - сопротивление после трансформации в каждом плече, 7 - входное сопротивление антенны.
Математическая модель рассматриваемой антенной системы на рис.1 была описана в работах [1-4].
Рис. 1. Система из трех тонких взаимно ортогональных вибраторов
В качестве критерия оптимизации выберем минимум квадрата модуля коэффициента отражения на входе фидера в выбранной полосе частот:
0= \\p{iaja,Lircofd(o,
(1)
где p(l, r , L ®) - модуль коэффициента отражения ан-
- a' a' d
тенны в полосе частот.
Для решения сформулированной оптимизационной задачи воспользуемся каноническим генетическим алгоритмом, реализующим идею эволюционного подхода в виде следующих процедур.
1. Вначале случайным образом генерируется конечный набор (популяция) пробных решений (особей):
рх - .../>„}, р)вСН (первое поколение). Здесь
СН - пространство поиска генной структуры хромосомы ек=(/, /,/ , г, г, г, Ь, Ь, Ь) .
4 х у I х у I х у г
2. Тело итерационного процесса начинается с оценки приспособленности текущего поколения к:
3. Из популяции отбираются и удаляются n-nc+m худших по значениям функции цели особей. Оставшиеся особи n составляют родительскую группу.
4. В родительской группе проводится оценка погрешности выбранных точек экстремума:
D = шах Q{p*)- min q{p- ) .
Заданное число D0 определяет точность генетического алгоритма, при достижении которой происходит выход из программы поиска решений (при D >D0).
www.h-es.ru
h&es research
25
5. Отобранные родительские особи используются для генерации (операция скрещивания) нового поколения решений пс, составляющих некоторую часть от исходной популяции п. При этом каждый ген (параметр) хромосомы нового поколения выбирается случайным образом из интервала изменения параметров родительских генов (с родительскими признаками).
6. Для уменьшения вероятности потери точки глобального экстремума в новую популяцию добавляется еще пт особей, полученных аналогично п. 1.
7. Полученное новое поколение п=п+п+п особей
£ с т
посредством операторов селекции Б, скрещивания С и мутаций М : Р м =М-С-Б(Рк ^ к) (п.п. 2, 4 и 5) полностью заменяет исходное поколение п. 1. В результате формируется особей нового поколения (здесь нижние индексы «5», «с» и «т» характеризуют соответственно операции селекции Б, скрещивания С и мутаций М).
8. Процедура возвращается к п. 2. Обновление поколений продолжается до тех пор, пока во всех координатных точках родительской группы значения оптимизируемой функции не будут отличаться друг от друга меньше, чем заданное малое число Б .
От поколения к поколению исследуемое подпространство будет сужаться. Таким образом, генетический алгоритм в исследуемом подпространстве будет случайным образом просматривать точки, выискивая среди них оптимальные в смысле целевой функции.
Ниже представлены результаты решения задачи синтеза широкополосной вибраторной антенны на основе генетического алгоритма.
Диапазон исходных данных параметров ограничивался следующими неравенствами: 0,1 < ¡а < 0,5, 0,01< г < 0,125, 0,1 < Ь <1. Численные соотношения
3 т 3 3 3 аг
между особями в популяции размером п = 100 после применения операций селекции Б, скрещивания С и мутаций М составляли: п = 20, п = 20 и п = 60.
^ £ ' с т
Решение задачи синтеза широкополосной вибраторной антенны отражает изменение целевой функции, показанное на рис. 2, где г - количество итераций эволюционного алгоритма. Здесь кривые 1-6 характеризуют номера реализаций при фиксированных начальных параметрах эволюционного алгоритма.
5 10 15 20
Рис. 2. Изменение целевой функции в процессе синтеза
В результате решения задачи для каждой из реализаций на рис. 2 была сформирована такая частотная зависимость входного сопротивления системы на рис. 1, у которого реальная часть в заданном интервале частот от 196 до 396 МГц (центральная частота 296 МГц) практически неизменна и колеблется вблизи 50 Ом, а мнимая часть колеблется вблизи нулевого уровня (рис. 3, рис. 4).
1ш(г(/)),дБ
80 40 0 -40
■
100
200
300
400 /,МГц
Рис. 3. Зависимость мнимой части входного сопротивления от частоты
Яе(7(/))дБ
80
40
-40
1%
1» \ Х!'
100
200
300
400 / ,МГц
Рис. 4. Зависимость реальной части входного сопротивления от частоты
Рабочие полосы частот (РПЧ) оценивались при уровне в -30 дБ для зависимостей коэффициентов отражений синтезированных излучателей. Для шести реализаций эволюционного алгоритма синтезированные параметры излучателей с рабочими полосами частот приведены в таблице 1. Номера строк таблицы совпадают с номерами кривых на рис. 2-4.
Здесь лучшая реализация эволюционного алгоритма при решении задачи синтеза широкополосного излучателя соответствует второй строке.
Зависимость коэффициента отражения для синтезированной антенны с параметрами второй строки представлена на рис. 5.
Следует отметить, что значение полосы пропускания данной синтезированной антенны совпадает с результатами синтеза широкополосного излучателя с помощью градиентного алгоритма [1-4].
Таблица 1
Значения параметров оптимизации
№ РПЧ, % Длины фидера, м Длины плеч вибраторов, м Радиусы проводов, м
Д/ и £у h к h к Гх Гу Гг
1 71% 0.512 0.248 0.369 0.398 0.345 0.375 0.045 0.045 0.053
2 87% 0.389 0.192 0.635 0.376 0.344 0.353 0.063 0.057 0.047
3 50% 0.383 0.490 0.674 0.304 0.367 0.358 0.041 0.043 0.053
4 53% 0.481 0.338 0.670 0.346 0.314 0.341 0.051 0.048 0.053
5 67% 0.429 0.600 0.298 0.408 0.433 0.367 0.045 0.045 0.051
6 52% 0.673 0.489 0.445 0.446 0.435 0.359 0.053 0.044 0.046
Численные исследования показали, что результаты сопоставимы с полученными ранее с точки зрения качества, но, как видно из таблицы 1, критерий (1) содержит большое количество локальных экстремумов, которые практически равноценны по качеству. Это означает, что рассматриваемый критерий необходимо дополнять ограничениями на область допустимых решений. Наличие нескольких разных решений показывает сложность (овражность) показателя качества, что ограничивает использование градиентных алгоритмов [1-4].
О ТОО 200 300 400 /Жц
Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения от частоты
Таким образом, использование генетического алгоритма для решения задачи синтеза широкополосного излучателя позволило установить, что с точки зрения выбранного критерия качества могут быть получены различные решения, обладающие близким качеством, в том числе и с решением, полученным градиентным методом. Это означает, что применение эволюционного подхода является более оправданным, но требует уточнения набора ограничений, связанных с областью допустимых решений.
Литература
1. Землянский С.В., Колесников В.Н., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Метод синтеза широкополосного из-
лучателя с ортогональными компонентами токов // Излучение и рассеяние ЭМВ-ИРЭМВ-2013: сб. докл. междунар. науч. конф. Таганрог, 2013. Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2013. С. 106-111.
2. Землянский С.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Широкополосная антенна для системы автоматизированной обработки информации. // Теоретические и прикладные проблемы развития и совершенствования автоматизированных систем управления военного назначения: сб. докл. Всерос. науч.-технической конф. СПб.: Изд-во Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2013. С. 364-369.
3. Землянский С.В., Колесников В.Н., Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Метод синтеза широкополосного векторного излучателя с ортогональными компонентами тока // Общие вопросы радиоэлектроники. 2014. Вып. 1. С. 48-58.
4. Землянский С.В., Мищенко С.Е., Шацкий В.В. Методика синтеза широкополосных вибраторных антенн для системы технического контроля // Наукоемкие технологии в космических исследованиях земли. 2014. Т. 6. № 4. С. 16-22.
5. Weile D.S., Michielssen E. Genetic algorithm optimization applied to electromagnetics: A review // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1997. Vol. 45. Pp.343-353.
6. Kurup D., Himdi M., Rydberg A. Synthesis of uniform amplitude unequally spaced antenna arrays using the differential evolution algorithm // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 2003. Vol. 51. Pp. 2210-2217.
7. Yan K.-K., Lu Y. Sidelobe reduction in array-pattern synthesis using genetic algorithm // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1997. Vol. 45. Pp. 1117-1122.
8. Ares-Pena F., Roriguez-Gonzalez J., Villanueva-Lopez E., and Rengarajan S. Genetic algorithms in the design and optimisation of antenna array pattern // IEEE Trans. Antennas and Propagation. 1999. Vol. 47. Pp. 506-510.
9. Kennedy J., Eberhart R. Particle swarm optimization // In Proceedings of IEEE International Conference on Neural Networks. 1995. Pp. 1942-1948.
10. Clerc M., Kennedy J. The particle swarm - explosion, stability, and convergence in a multidimensional complex space // IEEE Transactions on Evolutionary Computation. 2002. No. 6 (1). Pp. 58-73.
11. Mendes R., Kennedy J., Neves J. The fully informed particle swarm: Simpler, maybe xapaKbetter // IEEE Transactions on Evolutionary Computation. 2004. No. 8 (3). Pp.204-210.
Для цитирования:
Мищенко С.Е., Шацкий В.В., Землянский С.В. Синтез широкополосного излучателя автоматизированной системы обработки информации // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2016. Т. 8. № 3. С. 24-29.
SYNTHESIS OF THE BROADBAND RADIATOR OF THE AUTOMATED INFORMATION HANDLING SYSTEM
Mishchenko Sergey Evgenevich,
Rostov-on-Don, Russia, mihome@yandex.ru
Shatsky Vitaly Valentinovich,
Rostov-on-Don, Russia, VshatsV@yandex.ru
Zemljansky Sergey Vladimirovich,
Krasnodar, Russia, zems1980@rambler.ru
Abstrart
In the main way of the decision problem of broadbandness is creation of radiators with slowly changing input impedance in a strip of frequencies. One of receptions is complication of distribution of current in a radiator due to transition from the linear antenna to a flat radiator. Synthesis of the broadband vibrator antenna on the basis of the crossed vibrators in which orthogonal components of currents are independent is considered. This antenna consists of three mutually orthogonal symmetric vibrator with the combined phase centers. The feeding path consists from uniform adder "on three", quarter wave transformers of resistance and pieces of transmission lines with wave resistance and length. The task of synthesis is reduced to the solution of a task about minimization of the module of factor of the reflection of the antenna in a strip of frequencies, depending from nine parameters by means of a genetic algorithm. Application of the evolutionary approach for a solution of the task of synthesis of a broadband radiator has allowed to establish, that from the point of view of the chosen criterion of quality the various solutions, possessing close quality. Inputimpedance of the separate vibrator in a task of synthesis paid off on a basis of "a method of equivalent schemes". The received results allowed to create frequency dependence of input resistance of the antenna, at which real part in the set interval of frequencies from 196 to 396 MHz (the central frequency of 296 MHz) it is almost invariable and hesitates
near 50 Ohms, and the imaginary part fluctuates nearzero level. Numerical results confirm possibility of application of procedure of narrow-band coordination for separate antenna elements of system of radiators for the purpose of expansion of a working strip of all system (for the given example this expansion made 87%). The offered method belongs to the class methods of constructive synthesis of antennas also allows at certain modifications and restrictions to become a basis for the solution of a number of almost important task of creation of broadband antennas.
Keywords: input resistance; factor of the reflection; symmetrical vibrator; broadband antenna; genetic algorithm.
References
1. Zemljanskij S.V., Kolesnikov V.N, Mishchenko S.E., Shatsky V.V. Metod sinteza shirokopolsnogo izluthatelya s ortogonalnimi komponentami tokov [Method of synthesis of a broadband radiator with orthogonal components of currents]. Radiation and Scattering of Electromagnetic waves RSEMW-2015: Works of the International scientific conference. Taganrog, TTI SFU. 2013. C. 106—111. (In Russian).
2. Zemlyanskiy S.V., Mishchenko S.E., Shatskiy V.V. Shirokopolosnaya antenna dlya sistemi avtomatizirovannoi obrabotki informathii [The broadband antenna for system of the automated processing of the information]. Theoretical and applied problems of development and perfection of the automated military-oriented control systems. The collection of works of the All-Russia scientific and technical conference. St.-Petersburg: Voenno-kosmicheskaya akademiya imeni A.F.Mozhajskogo Publ. 2013. C. 364-369. (In Russian).
3. Zemlyanskiy S.V., Kolesnikov V.N., Litvinov A.V., Mishchenko S.E., Shatskiy V.V. Metod sinteza shirokopolos-nogo vektornogo izluthatelya s ortogonalnimi komponentami toka [Method of synthesis of a broadband vector radiator with orthogonal components of a current]. General questions of radio electronics. Obshchie voprosy radioelek-trotekhniki.2014. Issue 1. Pp.48-58. (In Russian).
4. Zemlyanskiy S.V., Mishchenko S.E., Shatskiy V.V. Metodika sinteza shirokopolosnih vibratornih antenn dlya sistemi teh-
nitheskogo kontrolya. H&ES Research. 2014. Vol. 6. No. 4. 10. Clerc M., Kennedy J. The particle swarm - explosion,
Pp. 16-22.(lnRussian). stability, and convergence in a multidimensional complex
5. Weile D.S., Michielssen E. Genetic algorithm optimization space. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, applied to electromagnetics: A review. IEEE Trans. Antennas 2002. No. 6 (1). Pp. 58-73.
and Propagation. 1997. Vol. 45. Pp. 343-353. 11. Mendes R., Kennedy J., Neves J. The fully informed parti-
6. Kurup D., Himdi M., Rydberg A. Synthesis of uniform cle swarm: Simpler, maybe xapaicbetter. IEEE Transactions on amplitude unequally spaced antenna arrays using the differ- Evolutionary Computation. 2004. No. 8 (3). Pp. 204-210. ential evolution algorithm. IEEE Trans. Antennas and
Propagation. 2003. Vol. 51. Pp. 2210-2217. Information about authors:
7. Yan K.-K., Lu Y. Sidelobe reduction in array-pattern syn- Mishchenko S.E., Ph.D., professor, leading researcher in thesis using genetic algorithm. IEEE Trans. Antennas and Federal state unitary "Rostov-on-Don Radio Communication Propagation. 1997.Vol.45.Pp. 1117-1122. Research Institute" enterprises Federal research and pro-
8. Ares-Pena F., Roriguez-Gonzalez J., Villanueva-Lopez duction center;
E., Rengarajan S. Genetic algorithms in the design and opti- Shatsky V.V., Ph.D., senior researcher in Federal state uni-
misation of antenna array pattern.//IEEE Trans. Antennas tary "Rostov-on-Don Radio Communication Research
andPropagation.1999.Vol.47.Pp.506-510. Institute" enterprises Federal research and production
9. Kennedy J., Eberhart R. Particle swarm optimization. In center;
Proceedings of IEEE International Conference on Neural ZemlyanskyS.V., Ph.D., professor assistant of the Krasnodar
Networks. 1995. Pp. 1942-1948. higher military college.
For citation:
Mishchenko S.E., Shatsky V.V., Zemlyansky S.V. Synthesis of the broadband radiator of the automated information handling system. H&ES Research. 2016. Vol. 8. No. 3. Pp. 24-29.
