Поступила в редакцию

Математическая морфология.

Электронный математический и медико-биологический журнал. - Т. 12. -

Вып. 4. - 2013. - URL:

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-40-html/TITL-40.htm

http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-40-html/cont.htm

УДК 537.862=161.1

СОЗДАНИЕ И ПОДГОТОВКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОГРАММНЫМИ СРЕДСТВАМИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ АНТЕНН В ПРОГРАММЕ MMAMA‑GAL

Ó 2013 г. Егоренков И. В., Строев К. Н.

(egorenkov.doc)

В работе изложен способ упрощения и ускорения процесса моделирования антенн в программе MMANA-GAL с помощью программного обеспечения, созданного специально для этих целей. Предлагаемый способ подразумевает однократное создание специализированного ПО, т.е. затрату значительного времени, для ускорения процессе расчета во всех последующих случаях. Созданное ПО позволяет автоматически создавать антенны различной конфигурации, в том числе сложные спиральные конструкции, логопериодические антенны и т.д.

Ключевые слова: математическая модель, программное обеспечение, антенна.

Целью работы являлась разработка прикладного программного обеспечения (ПО) с помощью которого у пользователя появилась возможность создавать математические модели антенн любой сложности и производить их компьютерное моделирование в программе анализа антенных систем MMANA-GAL. Необходимость в указанном программном обеспечении возникла в ходе изучения антенных систем высокой сложности (логопериодические, спиралевидные антенны и т.д.).

Программа MMANA-GAL получила широкое распространение среди разработчиков антенн благодаря высокой скорости расчетов, наличию бесплатной обычной и недорогой профессиональной версии [1]. Однако, она так же имеет ряд определенных недостатков. Наиболее существенные из них– это неудобный способ задания данных для последующего моделирования, а также сложность в корректировке уже имеющейся антенны в процессе ее расчета или настройки.

Модель антенны создается в виде набора отрезков, для которых указывается длина, т.е. начальная и конечная координата и диаметр. Эти координаты приходится рассчитывать и вводить вручную. При малом количестве отрезков (10-15) это не составляет большого труда, однако, при увеличении количества до нескольких десятков и даже сотен на эту работу непроизводительно затрачивается много времени. Правка такой модели в дальнейшем является достаточно времязатратным процессом.

Для решения проблем существует два пути: каким-либо образом автоматизировать процесс расчета геометрии антенны, либо уйти от использования самой программы MMANA-GAL, что пока не представляется возможным в связи с отсутствием аналогичных по простоте, а главное, по быстродействию программ. Следовательно, приходим к вопросу автоматизации расчета геометрии антенны.

В процессе анализа возможных путей решения поставленного вопроса приходим к созданию специализированного программного обеспечения. Разработанное ПО – препроцессор, автоматизирующий расчет геометрии моделей антенн. Разработка программы была проведена в среде VisualStudio 2010 с использованием языка С# [2]. В результате компиляции программы на платформе .NETFramework 3.5 был создан файл приложения .exe, удобный для работы. Исходным файлом для разработанного препроцессора являлся файл формата .xml (англ. eXtensibleMarkupLanguage — расширяемый язык разметки), в котором описывается структура антенны в виде укрупненных элементов. Тип такой структуры иерархический и походит на расположение файлов в операционной системе Windows. Результирующим файлом является файл программы MMANA-GAL с расширением .maa. В данном файле содержится информация не только о геометрии антенны, но также и вспомогательные данные о материале антенны, высоте установки, согласования и т.д., которые может задавать пользователь в процессе работы.

Возможности созданного программного обеспечения позволяют рассчитывать геометрию элементов антенн любой конфигурации с использованием переменных, при этом необходимо задавать каждый отдельный элемент отдельно от других, Каждый из которых представляет собой элемент XML-файла типа Line, для которого задана начальная и конечная точка, а также диаметр. Список элементов Line в дальнейшем обрабатывается и преобразуется в список отрезков, который «понятен» программе MMANA-GAL. Также существуют возможности по построению сложных поверхностей автоматически, например, спиралевидных антенн по уравнению спирали. Предусмотрены возможности копирования, вращения элементов, представление больших плоскостей отдельными элементами (так называемая «заливка»), задание данных математическими выражениями. При отсутствии требуемого компонента в библиотеке, возможен его ручной ввод через набор математических формул для каждого элемента.

Приведем небольшой иллюстрирующий работу программы пример: решим задачу построения логопериодической антенны при помощи созданного ПО. Для этой цели составим файл разметки .xml [3], который будет описывать геометрию антенны. Приведем пример xml кода, который является частью составленного файла:

<?xmlversion="1.0" encoding="utf-8"?>

<Group>

<VarsFreq="67" z1="2000" />

</Wireframe>

</Wireframe>

</Group>

Удобным средством для создания и редактирования xml-файлов является бесплатная программа XMLNotePad. Производим запуск программы и загрузку файла (рисунок 1).

Рисунок 1 – Окно программы

Возможности созданного ПО позволяют не только просматривать xml-файл в виде «дерева» (левая часть окна), но также вносить необходимые при последующей разработке антенны изменения и сохранять их (левая нижняя часть окна). Полное имя входного файла занесено в соответствующее текстовое поле. Ключевые функции программы (формирование .maa-файла и его сохранение) выполняют кнопки окна «Загрузка XML» и «Сохранение MAA» соответственно (см. рисунок 1). Остальные же элементы выполняют вспомогательные роли, а именно: задание средней рабочей частоты антенны, высоты подвеса и типа окружающего пространства, установка источника на определенный отрезок и точности округления (количества значащих цифр для всех параметров формируемых отрезков). Не упомянутые элементы окна пока не используются, их наличие связано с тем, что представленная версия программы не является окончательной и постоянно усовершенствуется и дорабатывается. Вспомогательные поля могут остаться и пустыми, в этом случае программой либо значение не будет присвоено, либо присвоится значение, являющееся умолчательным в программе MMANA-GAL. Используя вышеупомянутые кнопки «Загрузка XML» и «Сохранение MAA», проводим соответствующие действия, формируя тем самым требуемый файл с расширением .maa. Все остальные работы по вводу дополнительных параметров антенны, моделированию и последующему анализу проводятся непосредственно в программе MMANA-GAL, например, просмотр получившейся конструкции (рисунок 2).

Рисунок 2 – Внешний вид антенны.

Как видно из рисунка, конструкция антенны представляет собой несколько десятков отрезков (в дальнейшем резонаторов), расположенных в определенном порядке. Расстояния между соседними резонаторами, а также их длина задается логарифмическим шагом, т.е. расчет параметров резонаторов вручную достаточно объемен и занимает много времени, что еще раз демонстрирует преимущества автоматизированного расчета перед ручным. Положение питающего порта (красная окружность) задается вручную, что так же будет сказываться на скорости задания геометрии антенны при значительном увеличении их количества.

К недостаткам созданного ПО можно отнести требования к знанию пользователем и умению работать с языком разметки XML, а также невозможность просмотра геометрии антенны до окончательного её создания. Работы над расширением функциональных возможностей программы, пополнением библиотеки элементов, задаваемых в упрощенном виде, и создание графического визуализатора продолжаются. Так же ведется работа по расширению списка выходных типов данных, например, TXT-формат для пакета программ моделирования антенн CSTStudio.

Таким образом, использование разработанного ПО упрощает и ускоряет работу пользователя с программой MMANA-GAL, что в конечном счетеприводит к получению антенн с лучшими характеристиками и позволяет создавать большее количество антенн в те же сроки.

Литература

1. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA. М.: ИП РадиоСофт Журнал «Радио», 2002.

2. Тролсен Э. Язык программирования C# 2010 и платформа .NET 4.0, 5-е изд.: Пер. с англ. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2011.

3. Шеперд, Деван. Освой самостоятельно XML за 21 день, 2-е изд.: Пер. с англ. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2002.

CREATING AND PREPARATION MATHEMATICAL MODELS WHIS SOFTWARE TOOL FOR ANTENNAS SIMULATION IN THE PROGRAM MMAMA ‑ GAL

Egorenkov I. V., Stroev K. N.

In the paper a way of simplifying and accelerating the antenna simulation program MMANA-GAL using software created specifically for this purpose. The proposed method involves the creation of a single specialized software, ie the expenditure of considerable time, to speed up the calculation process in all subsequent cases. Created software to automatically generate various antenna configurations, including complex spiral structure, log-periodic antennas, etc.

Key words: mathematical model, software, antenna.

Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет» МЭИ» в г. Смоленске

Поступила в редакцию 25.12.2013.