Синтез селекторных диаграмм направленности с использованием генетического алгоритма Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396.029

СИНТЕЗ СЕЛЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА

Валерий Иванович Ознобихин

АО «НИИЭП», г. Новосибирск, 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, старший научный сотрудник, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Валерий Борисович Ромодин

АО «НИИЭП», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Татьяна Викторовна Ячменева

АО «НИИЭП», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, инженер 2-й категории, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Виталий Сергеевич Кулик

АО «НИИЭП», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, инженер 2-й категории, тел. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

С помощью генетического алгоритма проводится оптимизация секторных диаграмм направленности. В качестве начального приближения используются решения, полученные методом интеграла Фурье. Расчеты проводятся на примере 12-ти элементной эквидистантной решетки и волноводно-щелевой антенны, состоящей из 12 одинаковых продольных щелей.

Ключевые слова: оптимизация, генетический алгоритм, антенная решетка.

SELECTOR SYNTHESIS OF RADIATION PATTERNS USING A GENETIC ALGORITHM

Valery I. Oznobihin

OJSC «Scientific Research Institute of Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, senior researcher, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Valery B. Romodin

OJSC «Scientific Research Institute of Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, laboratory chief, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Tanya V. Yachmeneva

OJSC «Scientific Research Institute of Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, engineer, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Vitaliy S. Kulik

OJSC «Scientific Research Institute of Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva, engineer, tel. (383)216-05-48, e-mail: [email protected]

Using genetic algorithm optimization of sector-shaped pattern. As initial approximation we use the solutions obtained by the method of Fourier integral. The calculations are carried out on the example of a 12-element equidistant lattice and a waveguide-slot antenna, consisting of 12 identical longitudinal slots.

Key words: optimization, genetic algorithm, antenna array.

Синтез секторных диаграмм направленности (ДН) для линейных излучателей рассмотрен в работе [1]. Основными параметрами, определяющими качество секторных ДН, являются крутизна спада главного лепестка, приплюснутость максимума ДН и уровень боковых лепестков (УБЛ). Крутизна спада определяется, главным образом, размерами антенны; чем длиннее антенна, тем круче спадает ДН. «Приплюснутость» ДН и УБЛ можно изменять путем варьирования тока возбуждения (при заданной длине антенны и ширине ДН). Использованный в работе [1] метод интеграла Фурье не позволяет сделать этого.

В данной статье рассматривается линейная антенная решетка, состоящая из N дискретных излучателей. С помощью генетического алгоритма (ГА) [2] проводится оптимизация токов возбуждения (1п) для получения требуемых параметров секторной ДН. В качестве начального приближения используются токи, найденные с помощью интеграла Фурье. ДН решетки рассчитывается по формуле:

и (в) = ^ (в) (п-Г)(™в-™во> \и (в) = 20и (в) ., (1)

и=1 |ишах(в0р ^

где ^ (в) - ДН излучателя, 1п -токи возбуждения, 1 - мнимая единица,

к - волновое число (к = 2я! X), ё - шаг решетки, N - число излучателей.

Оптимизация проводится по ДН с целью нахождения токов возбуждения (1п) таких, чтобы она удовлетворяла максимально необходимым требованиям. Целевую функцию в этом случае можно представить в виде [3]:

Л =Е\ит(вп) - и(вп )|, (2)

п

где ЦТ - теоретическая ДН, и - расчетная ДН.

Вид теоретической ДН приведен на рис. 1. Здесь Д0=02 - 01 - ширина ДН, а и1 и и2 - уровень боковых лепестков в передней и задней зонах.

В таблице приведены токи возбуждения, полученные в результате оптимизации 12-ти элементной решетки для Д0=4О (00=9О), 20 (00=65) и 15 (00=65) градусов.

Распределение тока имеет переменно фазные участки, но сами токи - действительные числа. Количество таких участков определяется шириной ДН. При Д0=15 все токи имею один знак, и ДН имеет форму обычного лепестка. На рисунках 2, 3 и 4 представлены соответствующие ДН

Если синтезировать 20-ти элементную решетку для ДН Д0=2О (0О=65), токи получаются следующие:

-0.2154 -0.1718 -0.0771 0.0648 0.2428 0.4397 0.6347 0.8056 0.9325 1.0000

1.0000 0.9325 0.8056 0.6347 0.4397 0.2428 0.0648 -0.0771 -0.1718 -0.2154

Число переменно-фазных участков возросло, а ДН (рис. 5) стала более сек-ториальной.

Рассмотрим реализацию полученных распределений на волноводно-щелевой антенне (ВЩА), состоящей из 12-ти продольных щелей одинаковой длины.

Задача заключается в нахождении соответствующих смещений щелей для получения нужного распределения токов возбуждения. Используется ГА с целевой функцией вида [3]:

/ = с - \Рп + 2• Рге\ + с2- 1т\ + е3(3)

п п

где Рп и Рref - мощности, идущая в нагрузку и отраженная от антенны, - заданный и оптимизируемый токи на п-том излучателе, ёфп - фазовая ошибка на п-том излучателе, С1,С2,Оз - весовые коэффициенты (Лагранжа).

Как показали многочисленные расчеты, одним смещением щелей полностью реализовать синтезированные токи (таблица) с хорошими энергетическими параметрами ВЩА, не удается. Необходимо вводить, по крайней мере, еще один параметр, например, длины щелей.

На рис. 6 приведена ДН ВЩА соответствующая А©=20 (рис. 3). При этом излученная мощность антенны равна 0.84, а КСВ = 1.2. На рис. 7 ДН для варианта А©=15 (рис. 4), излученная мощность равна 0.81, а КСВ = 1.04.

Таблица

А© 11 12 1з 14 15 16 17 18 19 110 1ц 112

40 0.003 -0.15 -0.22 0.053 0.575 1 1 0.536 0.053 -0.12 -0.01 0.08

20 -0.14 0.038 0.216 0.589 0.856 1 0.976 0.832 0.493 0.155 0.02 -0.05

15 0.065 0.254 0.517 0.746 0.908 1 0.973 0.817 0.585 0.349 0.16 0.04

о е, е0 3; во 180

Рис. 1 Рис. 2

Таким образом, можно прийти к заключению, что для получения заметного эффекта «секторности» ДН по сравнению с обычной дольф-чебышевской ДН длину антенны необходимо увеличить примерно в два раза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Зелкин Е.Г. Построение излучающей системы по заданной диаграмме направленности / М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963 г.

2. Ознобихин В.И., Ромодин В.Б. Оптимизация волноводно-щелевых антенн методом генетического алгоритма / Сборник трудов МНТК \"Четвертые Уткинские чтения\". Секция \"Ракетно-космическая техника и технология\" Том 1, сс.230-232. БГТУ \"Военмех\", Санкт-Петербург, Россия, 2009 г.

3. Ознобихин В. И., Ромодин В. Б., Ячменева Т. В. Исследование целевых функций, используемых при проектировании антенных решеток / Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 192-196.

© В. И. Ознобихин, В. Б. Ромодин, Т. В. Ячменева, В. С. Кулик, 2016