Проект: Разработка специализированных инструментов автоматизированного проектирования антенных систем

Конечным продуктом является пакет специализированных программ для автоматизированного проектирования антенных систем, включающий: – инструмент конечно-элементного 2D анализа собственных мод фидерных СВЧ-трактов; – инструмент для моделирования фазированных антенных решеток (ФАР) на топологическом уровне; – базу данных моделей типовых антенных элементов и её систему управления. Инструмент для анализа фидерных СВЧ-трактов будет предназначен для расчета распределений электромагнитных полей и частот среза для заданного числа мод, возбуждающихся в произвольных 2D структурах из диэлектриков и проводников. В состав инструмента войдут интерфейс для ввода анализируемой 2D структуры, генератор расчетной сетки и решатель на основе численного метода конечных элементов. Программный инструмент для моделирования ФАР позволит рассчитывать диаграммы направленности планарных ФАР в режиме сканирования на основе смоделированных или измеренных парциальных характеристик их антенных элементов. Этот инструмент будет содержать вычислительный модуль, интерактивную библиотеку готовых шаблонов топологий ФАР, а также графический редактор для ввода и настройки пользовательских шаблонов. Разрабатываемый прототип базы данных моделей типовых антенных элементов позволит выполнять выбор и предварительную оценку характеристик антенн на ранних этапах их проектирования. Помимо развитой системы поиска по базе данных, в систему управления будут включены модули для оценки характеристик антенн на основе аналитических и (или) нейросетевых моделей. Созданные прототипы программных инструментов смогут использоваться как самостоятельные продукты, либо в составе разрабатываемой в ПИШ коммерческой САПР. Ожидаемые результаты проекта: – прототип программного инструмента для конечно-элементного анализа собственных мод произвольных 2D структур из диэлектриков и проводников; – прототип программного инструмента для расчета диаграмм направленности планарных ФАР на основе их парциальных характеристик; – прототип системы управления базой данных моделей типовых антенных элементов; – проработанные варианты интеграции разработанных инструментов в состав коммерческой САПР, разрабатываемой в ПИШ; – подготовленные заявки на регистрацию РИД, публикации и научно-технические отчеты.

В настоящее время разработка антенных систем, являющихся основой большинства современных средств связи, навигации и радиолокации, не обходится без применения инструментов автоматизированного проектирования. Согласно оценкам, приведенным в «Стратегии развития электронной промышленности РФ на период до 2030 г.» еще в 2020 г. в РФ имелись существенные проблемы с обеспечением отечественных предприятий необходимым программным обеспечением. При этом отчасти решавшие эти проблемы зарубежные продукты стали недоступны разработчикам с ужесточением санкционного давления на РФ, а также введением новых государственных мер по обеспечению технологической независимости и безопасности отечественных предприятий. В связи с этим, особую актуальность приобрела разработка оригинальных отечественных программных инструментов, способных заменить зарубежные аналоги, что подтверждается существенным ростом рынка отечественного программного обеспечения, наблюдаемым в последние годы.

Предметом разработки являются математические модели, вычислительные алгоритмы и программные инструменты для оптимального проектирования антенных систем. В результате выполнения проекта будут разработаны: – программный инструмент для конечно-элементного анализа собственных мод произвольных 2D структур из диэлектриков и проводников; – программный инструмент для расчета диаграмм направленности ФАР на основе их парциальных характеристик; – прототип системы управления базой данных моделей типовых антенных элементов; – варианты интеграции разработанных инструментов в состав коммерческой САПР антенн и микроволновых устройств. Указанные разработки позволят расширить функциональные возможности и потребительскую привлекательность разрабатываемой в ПИШ САПР, при этом смогут выступить в качестве отдельных независимых от этой САПР программных продуктов.

Для решения задач проекта будет использован комплексный подход, основанный на совместном применении современных методов вычислительной электродинамики, программирования, а также верификации математического и программного обеспечения. К каждому из студентов будет прикреплен опытный наставник, в обязанности которого будет входить обсуждение результатов, консультирование и внесение корректировок в индивидуальную работу. На первом этапе будет проведен обзор аналогов разрабатываемых инструментов, реализованных в лучших зарубежных САПР антенн и микрополосковых устройств: Dassault Systemes CST Studio Suite, Ansys HFSS, Altair FEKO, PathWave EM Design (EMPro) и др. Кроме того, будет выполнен анализ существующих математических моделей и методов, использующихся при решении каждой из запланированных в проекте задач. Это позволит детализировать технические требования к создаваемым в проекте инструментам, а также выполнить предварительную разработку вычислительных алгоритмов. Второй этап будет посвящен предварительной программной реализации и тестированию разработанных алгоритмов. Преимущественно реализация будет выполняться на базе пакета прикладных программ Matlab или его аналогов (GNU Octave, Sci-lab и т.д.). Тестирование алгоритмов будет проводиться по международному стандарту IEEE STD 1597 с использованием метода валидации выделением особенностей (feature selective validation), позволяющего достоверно оценивать точность результатов на основе набора доверительных гистограмм. В рамках проектирования системы управления базой данных антенных элементов будет проработана возможность создания дополнительного инструментария на основе искусственных нейронных сетей, позволяющего выполнять быструю предварительную оценку радиотехнических характеристик антенн с минимальными вычислительными затратами. На последующих этапах будет выполнена корректировка (при необходимости) реализованных алгоритмов и их перенос на язык C++. На базе платформы Qt Creator будут созданы требуемые для разрабатываемых инструментов графические оболочки и редакторы. Будет проведено тестирование созданных инструментов и их апробация в учебном процессе ТУСУРа. Для проработки коммерциализуемости результатов проекта в качестве консультантов будут привлечены профильные сотрудники ТУСУРа и индустриальные партнеры ПИШ. Помимо прочего, будет проведена работа по обнародованию результатов выполнения проекта. Результаты будут публиковаться в сети Интернет, а также представляться на конференциях, проводимых на территории РФ. Также планируется подготовка статей в профильные высокорейтинговые отечественные журналы: «Программные продукты и системы» (ВАК К1, RSCI), «Системы управления, связи и безопасности» (ВАК К1), «Журнал радиоэлектроники» (ВАК К1, RSCI).

Новизной будут обладать следующие результаты проекта: 1. Оригинальные алгоритм и программный инструмент для конечно-элементного 2D анализа фидерных СВЧ-трактов, отличающийся возможностью использования в составе САПР антенн и микроволновых устройств для формирования пространственных распределений электромагнитных полей волноводных источников возбуждения (портов). 2. Инструмент для моделирования диаграмм направленности ФАР на уровне топологии, отличающийся возможностью группировки антенных элементов и разделения модели ФАР на подрешетки меньших размеров. 3. Система управления базой данных антенных элементов, отличающаяся наличием функционала для предварительной оценки радиотехнических характеристик на основе моделей искусственных нейронных сетей.

Руководителем проекта и наставниками за последние 5 лет выполнено более 10 поисковых и хоздоговорных НИР, связанных с разработкой математического и программного обеспечения для моделирования характеристик антенных систем и микроволновых устройств. Имеется богатый опыт электродинамического моделирования СВЧ устройств, отраженный в более чем 200 публикациях и полученных патентах на изобретения. Члены коллектива входят в состав разработчиков ряда отечественных свободно-распространяемых и проприетарных программных продуктов и систем моделирования (квазистатического, электродинамического и схемотехнического). В качестве возможного задела могут выступить имеющиеся результаты по действующему проекту ПИШ «Прототип коммерческой САПР антенн и микроволновых устройств».

Основные характеристики создаваемых программных инструментов: 1. Разрабатываемый инструмент конечно-элементного анализа позволит рассчитывать распределения электромагнитных полей и частоты среза не менее чем для 10 первых мод, возбуждающихся в произвольных 2D структурах, состоящих из набора диэлектриков и проводников. 2. Разрабатываемый инструмент для моделирования ФАР за счет разделения крупногабаритных антенных решеток на подрешетки меньших размеров позволит рассчитывать диаграммы направленности планарных (с двумерной апертурой) ФАР с числом элементов от 1000 и более. 3. Разрабатываемый прототип базы данных моделей типовых антенных элементов позволит выполнять выбор и предварительную оценку характеристик антенн на основе использования их аналитических и нейросетевых моделей. 4. Разрабатываемые инструменты будут функционировать под управлением операционных систем семейств Windows и Linux (включая отечественные) на машинах с объемом ОЗУ не менее чем 8 Гб и процессором с тактовой частотой не менее 2 ГГц (4 ядра). 5. Особые экономические требования к разработке не предъявляются, поскольку она будет вестись с применением свободно-распространяемых (бесплатных) программных библиотек и интегрированных сред разработки. Основными аналогами разрабатываемых инструментов являются вспомогательные модули, интегрированные в зарубежные коммерческие САПР. Так, прямыми аналогами инструмента для конечно-элементного 2D анализа собственных мод являются решатели Finite Element EigenMode (FEEM) САПР Ansys Electronics Desktop и 3D Eigenmode Solver системы CST Studio Suite. Инструменты для моделирования диаграмм направленности ФАР на уровне топологии содержатся в модулях Array Task или Array Wizard (CST Studio Suite), а также в 3D Component Antenna Arrays (Ansys HFSS). Аналогами разрабатываемой базы данных типовых антенных элементов является популярная система Antenna Magus, а также библиотека в CADFEKO, входящая в состав САПР FEKO. Разрабатываемые инструменты будут иметь сопоставимую с указанными аналогами вычислительную эффективность, но менее обширные функциональные возможности, достаточные для базового использования продуктов и их дальнейшего развития. Сравнение показателей стоимости предлагаемых в проекте инструментов и их аналогов на данный момент не представляется возможным, поскольку лицензионные версии зарубежных продуктов больше не распространяются на территории РФ. Тем не менее, по сравнению с указанными аналогами, предлагаемые инструменты будут обладать следующими конкурентными преимуществами: 1. Независимость от зарубежных разработчиков, широкие возможности для локализации и адаптации под потребности и специфику отечественных предприятий. 2. Возможность использования независимо или в составе специализированной САПР. 3. Расширенные вычислительные возможности в части моделирования ФАР на топологическом уровне за счет разделения крупногабаритных ФАР на подрешетки меньших размеров. 4. Сниженный объем базы данных типовых антенных элементов за счет внедрения технологий машинного обучения. 5. Наличие в составе базы данных антенных элементов, разрабатываемых отечественными предприятиями, например ООО «НПК «ТЕСАРТ», АО «Решетнев», АО «УПКБ «Деталь» и др.