Разработка пакета программ для расчета фазированной антенной решетки (стр. 5 из 15)

Пакет, структурная схема пакета приведена на рис. 3.1, включает четыре программы, каждая из которых выполняет определенные функции:

· ФАР_вз_связь.mcd – центральная программа пакета и выполняет расчет определение полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями;

· вз_сопрот.mcd– вспомогательная программа пакета и предназначена для исследования зависимости взаимного сопротивления излучателей от расстояния между ними;

· рез_размер.mcd – программа, вычисляющая входное сопротивление излучателя при различной его длине и ширине. Эта программа может быть полезна при определении резонансного размера излучателя bрез;

· ФАР_полоса.mcd – программа выполняющая расчет полевых и импедансных характерисик ФАР в полосе частот по результатам, полученным в программе ФАР_вз_связь.mcd. Эти результаты записаны в файлах данных.

Рис. 3.1 Структурная схема пакета программ

Программы связаны между собой с помощью гиперссылок, изображенные на рис.3.1 в виде стрелок, что позволяет удобно переходить от одной программы к другой не выходя из среды общей Mathcad. Это создает цельность структуры и общность восприятия пакета.

3.2 Программа для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР

3.2.1 Описание применения

Программа, имеющая название ФАР_вз_связь.mcdявляется центральной программой разработанного пакета и выполняет расчет характеристик плоской ФАР, выполненной из полосковых вибраторов или резонансных излучателей на многослойном диэлектрической подложке, с учетом и без учета взаимной связи между излучателями. Выходными данными программы являются:

· входное сопротивление одиночного излучателя;

· входное сопротивление каждого илучателя ФАР с учетом взаимной связи, рассчитанное по (2.17);

· входное сопротивление ФАР и КСВ при последовательной схеме питания;

· входное сопротивление ФАР и КСВ при двоично-этажной схеме питания;

· матрица взаимных сопротивлений (2.12);

· диаграмма направленности ФАР с учетом и без учета взаимной связи, рассчитаная по (2.24).

Входные данные задаются пользователем вручную в тексте программы, состав входных данных представлен в разделе 3.2.4.

3.2.2 Методика испытаний

Объектом испытаний является файл с именем ФАР_вз_связь.mcd, который является программой для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями. Целью испытаний является проверка точности работы программы на конкретной вычислительной установке. Во время испытаний следует проверить прохождение контрольного примера при решении задачи с различными входными параметрами. Испытания следует проводить на той же вычислительной установке, на которой планируется эксплуатация программы.

Для проведения испытаний нужно иметь:

· установленный математический пакет Mathcad 2001 или его более поздние версии;

· файл с именем ФАР_вз_связь.mcd;

· значения входных данных, приводимых ниже;

· таблицу тестовых результатов;

В качестве тестовой задачи выступает расчет АР с равноамплитудным возбуждением размером 2х2 на трех частотах: 1600МГц, 1680МГц, 1740МГц. Полученные в ходе тестирования данные будут являться исходными для тестирования программы ФАР_полоса.mcd. Общие исходные данные следующие:

· f₀=1680 МГц;

· f– одна из трех частот (1600МГц, 1680МГц, 1740МГц);

· N_x=2, N_y=2;

· d_x=0,5; d_y=0,5;

· a=b=0,424;

· d₁=3 мм, d₂=1 мм;

· ε₁=1; ε₂=2,6; ε₃=1; μ₁= μ₂= μ₃=1;

· Δ_x=Δ_y=1;

· Θmax=φmax=0;

· ρ_л=50.

В результате трехкратного выполнения программы (последовательно изменяется только значение частоты f) в той же директории, где расположен файл ФАР_вз_связь.mcd, должны быть созданы три файла данных с именами: DataZ_2.6_1600_MHz.prn, DataZ_2.6_1680_MHz.prn, DataZ_2.6_1740_MHz.prn. Тексты этих файлов приведены в приложении 1.

3.2.3Руководство пользователя

Программа ФАР_вз_связь.mcdявляется центральной программой пакета и выполняет расчет полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями на одной фиксированной частоте.

Программа разработана в рамках математического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001 Professional. Требования к ресурсам вычислительной техники определяются, в первую очередь, требованиями, предъявляемыми разработчиками данного математического пакета.

Для выполнения программы предъявляются следующие минимальные требования к вычислительной установке и системе:

· вычислительная установка типа IBMPCс процессором Pentium 133MHz;

· наличие CD-ROM (для установки мат. пакета);

· операционная система Windows 95 или Windows NT 4.0 или более поздние версии;

· объем оперативной памяти не менее 32MB (64 MB рекомендуется);

· объем свободного пространства на диске 1,4 MB (пакет программ) +120 MB (Mathcad);

Для выполнения программы необходимо:

1. Загрузить математический пакет Mathcad;

2. Открыть файл с именем ФАР_вз_связь, имеющий расширение mcd;

3. В разделе Исходные данные для расчета ввести числовые значения указанных там параметров, указывая размерность для абсолютных величин;

4. После ввода исходных данных для начала вычисления нужно нажать клавишу F9, если в установках не указано автоматическое вычисление. Ошибки, которые могут возникнуть на этом этапе – это пустое поле одной из входных величин или же неверно указанная (или вовсе неуказанная) размерность величины. Признаком начала вычислений служит мигающая лампочка курсора. Время вычисления зависит от типа процессора и составляет для ФАР размера 4х4 около 10 минут при использовании процессора PentiumII 650 MHz.

5. По окончании расчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора) должны быть построены графики, выведены числовые значения, которые могут быть скопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word).

3.2.4 Описание программы

Программа ФАР_вз_связь.mcdявляется центральной программой пакета и выполняет расчет определение полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями. Результаты расчета в виде файлов данных являются исходными для программы полоса.

Алгоритм расчета взаимного сопротивления, используемый для расчетов, основан на методе бесконечных периодических структур, описанный подробно в [1, 2] и в разделах 2.1 и 2.2 данной дипломной работы.

Блок-схема программы представлена на рис. 3.2. В программе можно выделить три части, обозначенные в тексте программы в виде заголовков:

1. Исходные данные для расчета

В этой части производится ввод следующих параметров ФАР:

· f₀, f – центральная частота и частота для расчетов;

· N_x, N_y– количество излучателей вдоль оси ОХ, OY;

· d_x, d_y – шаг решетки вдоль оси ОХ, OY;

· a, b – ширина и длина одиночного излучателя;

· d₁, d₂ – толщина слоев диэлектрической подложки;

· ε₁, ε₂, μ₁, μ₂ – диэлектрическая и магнитная проницаемость слоев;

· Δ_x, Δ_y– величина пъедестала амплитудного возбуждения;

· θ_max, φ_max – углы фазирования АР;

· ρ_л – волновое сопротивление линии питания.

2. Основные расчетные соотношения

В этой части находятся все расчетные функции и формулы (для удобства использования программы эта громоздкая часть свернута в закрытую область, которую можно просмотреть раскрыть двойным щелчком по стрелке-указателю области), вычисляющие:

· входное сопротивление одиночного излучателя в составе бесконечной периодической решетки Zвх(Dr) (2.4);

· взаимное сопротивление Zz (2.8);

· матрицу взаимных сопротивлений Z (2.12);

· матрицу токов [I] согласно (2.16);

· входное сопротивление излучателя с учетом взаимной связи Z_вхсв (2.17);

· входное сопротивление ФАР при двоично-этажной схеме питания ZвхАРпаралл;

· входное сопротивление ФАР при последовательной схеме питания ZвхАРпосл;

· КСВ, Г.

3. Вывод результатов

В этой части строится график диаграммы направленности ФАР с учетом и без учета взаимной связи, выводится массив взаимных сопротивлений Z другие результаты расчета функций, представленный в предыдущем пункте.

Остановимся подробнее на второй части программы. Основу алгоритма расчета взаимного сопротивления составляет функция вычисления входного сопротивления излучателя в составе бесконечной периодической решетки. Расчет массива входных сопротивлений Za, выполняемый данной функцией, занимает основную часть машинного времени, поэтому оптимизации функции было уделено особое внимание. Блок-схема функции приведена на рис. 3.3. Массив входных данных представляет собой значения расстояний от крайнего излучателя (0; 0) до излучателей, расположенных на одном угловом направлении от него (рис. 2.5), и значения кратные этим расстояниям, сформированные в соответствии с рядом простых чисел, которые используются в процедуре (2.8). Из этого массива последовательно извлекается числовые значения, начиная с наименьшего, и проводится расчет входного сопротивления.

Согласно (2.4), расчет входного сопротивления необходимо производить путем интегрирования и суммирования в бесконечных пределах, что невозможно реализовать численными методами. Требуется ограничивать эти пределы, что неизбежно приводит к ошибке вычисления. Максимальное количество гармоник определяется величиной Nmax. Сложность заключается и в том, что эта величина зависит от расстояния Dr: чем больше расстояние между излучателями, тем больше требуется гармоник. Это приводит к тому, что время расчет входного сопротивления с ростом расстояния значительно увеличивается. С другой стороны, с ростом расстояния входное сопротивление излучателя в составе бесконечной периодической решетки изменяется слабо и в пределе стремится к собственному входному сопротивлению излучателя. Это обстоятельство и заложено в основу функции расчета сопротивления одиночного излучателя. Тем самым, требуется установить какой-либо критерий, по которому входное сопротивление уже бы не рассчитывалось, если оно с ростом Drизменяется незначительно. Для этого вводится величина Z_delta=|Z_next-Z_prev/Z_prev|, представляющая собой относительную разность между вновь рассчитанным значением сопротивления Z_nextи предыдущим значением Z_prev. Если величина Z_delta при очередном вычислении становится меньше устанавливаемой константы Ztol, то дальнейший расчет сопротивлений прекращается, а для последующих элементов из массива расстояний Dr, если они еще имеются, присваивается значение входного сопротивления, равное последнему рассчитанному.