2012 22nd Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2012). 10—14 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine  2012: CriMiCo’2012 Organizing Committee; CrSTC. ISBN: 978-966-335-370-8. IEEE Catalog Number: CFP12788 491 АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫХ АНТЕНН Вишнякова Ю. В., Лучанинов А. И. Харьковский национальный университет радиоэлектроники г. Харьков, пр. Ленина 14, 61166,Украина тел.: 057-7021430, e-mail: juvalort@gmail.com Аннотация — Рассмотрен общий алгоритм проектиро- вания микроволновых устройств, на основе которого разра- ботан алгоритм проектирования реконфигурируемых ан- тенн (РА). Рассмотрена математическая модель слабона- правленных проволочных антенн, показана её справедли- вость для реконфигурируемых структур, в состав которых включены как дискретные переключатели, так и аналоговые управляющие элементы. I. Введение Ввиду тенденции к обеспечению многофункцио- нальности современных радиотехнических устройств, а также в связи с необходимостью адаптации к слож- ной и непрерывно изменяющейся электромагнитной обстановке, всё более актуальным направлением развития антенной техники становится проектирова- ние адаптивных и реконфигурируемых антенных си- стем на основе современных технических решений в области микроволновых устройств, в частности на основе фрактальных структур, микрополосковых структур с изменённой формой слоя металлизации (DGS), углеродных нанотрубок, с использованием сверхпроводящих материалов и переключающих элементов (PIN диодов, MEMS переключателей). В существующей на данный момент литературе можно выделить два подхода к проектированию ре- конфигурируемых антенных систем. С одной сторо- ны, множество работ посвящено реализации антенн, в которых посредством изменения геометрии (излу- чателя, и/или цепей согласования) осуществляется изменение выходных характеристик антенны (рабо- чего диапазона частот, поляризации, диаграммы направленности). Физически это реализуется за счёт включения в структуру излучателя (согласующей цепи) различного рода управляющих элементов (пе- ременных емкостей и индуктивностей, варакторов, варикапов, PIN диодов, FET транзисторов, MEMS переключателей и т.п.). Посредством изменения со- стояния этих элементов осуществляется изменение геометрических размеров либо формы излучателя (цепей согласования), соответственно изменяется распределение тока вдоль проводников антенны и, следовательно, её выходные характеристики. В ли- тературе данный подход широко представлен на примере различных фрактальных излучателей (про- волочных, микрополосковых, щелевых), спиральных антенн, антенн с паразитными элементами и др. Физическая реализация второго подхода к проек- тированию реконфигурируемых антенн (РА) анало- гична рассмотренной выше. Разница состоит в том, что посредством изменения состояния управляющих элементов, входящих в структуру РА, осуществляет- ся изменение количества антенных элементов (ак- тивных и/или пассивных). Такой подход можно счи- тать продолжением развития и применения теории проектирования антенных решёток, и он является типичным при проектировании реконфигурируемых антенн для MIMO систем. Примером могут служить ESPAR антенны, матрицы патч-излучателей (pixel- patch структуры) и др. Таким образом, в рассмотренных подходах к про- ектированию РА реконфигурируемость достигается либо за счёт изменения характеристик отдельного элемента антенны, либо за счёт изменения множи- теля решётки системы излучателей. В работах [1, 2] предложено использовать как конфигурацию решёт- ки, так и характеристики отдельного элемента для совместной оптимизации параметров всей системы и получения требуемых выходных характеристик. При таком подходе используются обе степени свободы, что позволяет расширить область поиска приемле- мых решений, удовлетворяющих заданным критери- ям качества, и соответственно, повысить эффектив- ность решения многокритериальной задачи оптими- зации геометрии РА. ll. Алгоритм проектирования РА Применительно к задаче структурного синтеза общий алгоритм проектирования антенн [3] может быть представлен следующим образом (рис.1): Выбор ФПД проектируемой антенны Выбор конкретной реализации антенны (ТР) Выбор оптимальной геометрии и оптимальных значений параметров антенны Представление результатов в установленной форме Библиотека моделей сосредоточенных элементов ЭД анализ и формирование схемотехнических моделей распределенных элементов Оптимизация параметров сосредоточенных элементов Оптимизация топологии Рис. 1. Общий алгоритм проектирования антенн. Fig. 1. General antenna design algorithm Первый блок (выбор физического принципа дей- ствия, ФПД) в частности подразумевает выбор эле- ментной базы проектируемого устройства (прово- лочные излучатели, микрополосковые и т.п.) Второй блок (выбор технического решения, ТР) включает выбор конкретного типа антенны (вибраторная, фрактальная, щелевая, микрополосковый патч, пе- ревернутая F и т.п.) Третий блок включает в себя решение задач параметрического и структурного синтеза проектируемой антенны в рамках выбранно- го технического решения в соответствии с заданны- ми критериями качества (например, требуемыми значениями выходных параметров антенны, таких как частотная зависимость входного сопротивления, диаграмма направленности, коэффициент усиле- ния). То есть с помощью различных алгоритмов по- иска осуществляется выбор оптимальных значений параметров сосредоточенных элементов антенны и оптимальной топологии. Алгоритм проектирования реконфигурируемых антенн представлен на рис. 2. III. Математическая модель РА Математическая модель реконфигурируемой ан- тенны произвольной конфигурации была представ- лена в работах [4, 5]. 2012 22nd Int. Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2012). 10—14 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine  2012: CriMiCo’2012 Organizing Committee; CrSTC. ISBN: 978-966-335-370-8. IEEE Catalog Number: CFP12788 492 Выбор ФПД проектируемой антенны Выбор конкретной реализации антенны (ТР) Составление моделей компонентов Сосредоточенные лин. и нелин. элементы Распределенные элементы Выбор из библиотеки моделей компонентов Описание элементов (геометрия, параметры) ЭД анализ (IE,FEM, FDTD,TLM,..) Формирование схемы устройства Схемотехнический анализ (метод ГБ, степенных рядов, PSpice) Удовлетворяет ТЗ Изменение параметров соср. эл-тов Изменение распред. эл-тов (топологии) Оптимизация параметров соср. эл-тов (ГА,..) Оптимизация топологии (ГА,..) да да да нет нет нет Представление результатов в установленной форме Отрицательный результат (останова) Техническое задание на проектирование (ТЗ) Рис. 2. Алгоритм проектирования РА. Fig. 2. Reconfigurable antenna design algorithm Используемая математическая модель основана на методе интегральных уравнений. Реализуется решение интегрального уравнения Поклингтона от- носительно распределения токов вдоль проводников антенной системы при помощи метода Галёркина с последующим определением параметров и характе- ристик антенной системы (матрицы собственных и взаимных сопротивлений относительно входов ан- тенны, диаграммы направленности антенны). При этом антенная структура представляется в виде соединённых определённым образом прямоли- нейных отрезков тонких цилиндрических проводни- ков, радиус которых много меньше длины волны и длины наименьшего прямолинейного отрезка прово- да (тонкопроволочное приближение). В процессе решения ток ветвей аппроксимирует- ся некоторым числом базисных функций (кусочно- синусоидальных функций подобластей), которые определены на элементарных прямолинейных от- резках - сегментах. В программной реализации алгоритма оптимиза- ции структуры РА, предложенной в работе [6], пара- метры управляющих элементов, входящих в состав антенны, представляются в виде двоичных чисел с требуемой точностью, которая определяется коли- чеством бит, выделенных для кодирования каждого из параметров. При таком подходе в исходной ма- тематической модели РА [4] элементы диагональной матрицы сопротивлений переключающих элементов будут принимать значения не только «включен/ вы- ключен» (то есть «0/1»), но и отличные от «0» и «1» значения. lV. Заключение В докладе рассмотрен общий алгоритм проекти- рования антенн, на основе которого разработан и представлен алгоритм проектирования реконфигу- рируемых антенн. Рассмотрена математическая модель для слабо- направленных проволочных РА. Показано, что дан- ная модель справедлива для случая, когда в струк- туру РА включены как дискретные переключатели, так и аналоговые управляющие элементы. V. Список литературы [1] Multifunctional reconfigurable MEMS integrated antennas for adaptive MIMO systems / Bedri Artug Cetiner, Hamid Jafar- khani, Jiangyuan Qian, Hui Jae Yoo, Alfred Grau, Franco De Flaviis // IEEE Commun. Mag. 2004. Vol. 42. No. 12. P. 62—70. [2] Сидоров Я.Г., Лучанинов А.И. Адаптивные антенные ре- шетки с реконфигурируемыми антенными элементами // 17-я Международная Крымская конференция «СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМи- Ко»2007) : материалы конф. в 2 т. (Севастополь, 10—14 сент. 2007 г.). Севастополь : Вебер, 2007. Т. 1. С. 390—391. [3] Автоматизация поискового конструирования (искус- ственный интеллект в машинном проектировании) / По- ловинкин А.И. и др. М. : Радио и связь, 1981. 344 с. [4] Математическая модель реконфигурируемых антенн / А.И. Лучанинов, Д.С. Гавва, Е.В. Крикун, Ю.В. Скорикова // Радиотехника. 2010. № 161. С. 25—36. [5] Структурный синтез реконфигурируемых антенн / А.И. Лучанинов, Д.С. Гавва, Е.В. Крикун, Ю.В. Скорикова // Восточно-Eвропейский журнал передовых технологий. 2010. № 4/9(46). С. 28—34. [6] Вишнякова Ю.В. Реализация генетического алгоритма для синтеза реконфигурируемых антенн // 8-я Междуна- родная молодежная научно-техническая конференция «Современные проблемы радиотехники и телекоммуни- каций РТ-2012» : материалы конф. (Севастополь, 23—27 апр. 2012 г.). Севастополь : СевНТУ, 2012. С. 201. RECONFIGURABLE ANTENNA DESIGN ALGORITHM Vishniakova J. V., Luchaninov A. I. Kharkov National University of Radioelectronics 14, Lenin Ave, Kharkov, 61166, Ukraine Ph.: 057-7021430, e-mail: juvalort@gmail.com Abstract — The general RF device design algorithm is exam- ined, on the basis of which a reconfigurable antenna (RA) de- sign algorithm is developed. A mathematical model of near- omnidirectional thin-wire reconfigurable antennas is presented based on the integral equation method. The validity of the mod- el for reconfigurable structures containing both analog driven elements and discrete switching elements is shown. l. Introduction Considering the tendency to provide multifunctionality of modern microwave devices and the necessity of adaptation to complex ever changing electromagnetic environments, the adaptive and reconfigurable antenna systems design problem becomes more and more actual. The search for appropriate designs should be realized in the area of modern engineering solutions in the field of microwave devices, including fractal structures, defected ground structures (DGS), carbon nano- tubes, superconducting materials, switching elements (e.g., PIN diodes, RF MEMS), etc. II, III. Main Part Concerning the structural synthesis problem, the RA design algorithm includes selection of the physical concept (elemental base), technical solution (antenna type), parametric and struc- tural synthesis in accordance with the specified quality criteria. IV. Conclusion A RA design algorithm is developed. The validity of the pro- posed mathematical model for reconfigurable structures contain- ing both analog driven elements and discrete switching elements is shown.