2.3.Принципы оптимального синтеза
Термином оптимальный синтез определяют процесс построения устройства с заданными свойствами, оптимально учитывающий совокупность технико-экономических требований. Этому процессу сопутствует ряд промежуточных операций; анализ — теоретическое либо экспериментальное нахождение свойств заданного устройства; структурный синтез—поиск оптимальной, в оговоренном смысле, структуры устройства; параметрический синтез — поиск таких значений элементов (при выбранной структуре), которые обеспечивают оптимальное функционирование устройства по заданным критериям (по заданной целевой функции). Целевая функция — функция вектора варьируемых параметров, характеризующая качество функционирования устройства. Под варьируемыми параметрами понимают те из числа параметров математической модели, на основе изменения которых решается задача параметрического синтеза.
Математической моделью называют математическое описание (алгоритм, функция, функционал, система уравнений), определяющее с требуемой точностью свойства устройства. Рациональная организация оптимального синтеза определяется выбором математической модели, тактикой ее использования, степенью автоматизации этапов синтеза, своевременным комплектованием банка данных, методикой его формирования и хранения.
Основой для построения математической модели устройств УВЧ и ОВЧ являются уравнения Максвелла. При непосредственном их использовании анализ сводится к интегрированию системы дифференциальных уравнений с частными производными в области с металлическими и магнитоэлектрическими включениями. Этот подход позволяет получить результаты с точностью, ограниченной лишь вычислительными погрешностями, однако его реализация связана со значительными трудностями и требует использования ЭВМ очень высокой производительности. Затруднения усугубляются при переходе к синтезу, т. е. к целенаправленному перебору результатов анализа при варьируемых структурах и параметрах их элементов. Одновременно следует выделять глобальный минимум целевой функции среди множества локальных. На таком уровне оптимальный синтез в настоящее время в большинстве случаев невыполним.
На практике целесообразно пользоваться другой организацией синтеза — итеративной: синтез начинают с разумно-приближенной модели, обеспечивающей обозримость результатов при умеренной точности. Иначе говоря, вначале используют модель, которая позволяет принять некоторое техническое решение, имеющее принципиальный характер. Затем эти результаты постепенно, по мере необходимости уточняют путем ступенчатого усложнения модели.
Чаще всего подразумевалась вычислительная схема, в которой модель первого уровня поставляет начальное приближение для модели следующего уровня, основанной на неупрощенной постановке электродинамической задачи. В действительности это возможно лишь в тех случаях, когда проектируемый объект сравнительно прост.
Для сложного объекта иногда можно построить целую систему вложенных друг в друга моделей, все более полно отражающих его реальные свойства.
Иногда подобные идеи излагаются с позиций системного анализа; предлагается два класса моделей и соответственно два класса алгоритмов; быстрые и поверочные. С помощью быстрых алгоритмов на упрощенной модели выбирают основные параметры будущей конструкции, принимают проектные решения, формируют «облик изделия». Затем с помощью более полной модели проводят уточняющую коррекцию. Таким образом, двухэтапность (многоэтапность) процесса синтеза является основой рациональной его организации.
Теперь конкретизируем этапы итеративного синтеза. Можно связать их с дискретной последовательностью собственных типов волн, свойственных синтезируемому устройству. Основной (распространяющийся, «активный») тип волн формирует основное приближение, позволяет решить, выполнимы ли технические требования к устройству, каковы его конструкция и электрические показатели.
Высшие (нераспространяющиеся, «реактивные») типы волн учитываются двойственно: в широкополосных и сверхширокополосных устройствах, во многих случаях их влиянием можно либо пренебречь, либо учесть с помощью несложных экспериментальных или расчетно-экспериментальных методов. Существует, однако, класс устройств (например, волноводные фильтры на индуктивных штырях, воздушно-полосковые фильтры на индуктивных штырях и др.), где используют сильные неоднородности, формирующие мощные поля нераспространяющихся высших типов волн; они необходимы для реализации функционального назначения устройства.
Как строить начальное (оно же и основное) приближение в этом случае? Практика проектирования дает следующий ответ на этот вопрос: сильные реактивные неоднородности с точностью, достаточной для принятия технических решений, аппроксимируют сосредоточенными индуктивностями и емкостями.
Эффективные результаты таких аппроксимаций опубликованы в. С помощью этого приема основная одноволновая модель формально охватывает все степени интенсивности реактивных полей, вызванных нераспространяющимися типами волн, т. е. во всех случаях создается «облик изделия»; в дальнейшем его уточняют на моделях более высокого уровня, если есть необходимость.
Приведенные соображения не новы, они складывались постепенно в течение последних десятилетий и обеспечили становление техники пассивных устройств СВЧ, УВЧ и ОВЧ. Характерной чертой этого процесса была информационная обратная связь между результатами синтеза различных устройств и накоплением данных для их структурной оптимизации в начале синтеза. Эта особенность процесса успешно использовалась инженерами в виде таблиц, справочников, нормативно-технических документов и др. По мере отбора и формализации сведений стало возможным создание автоматизированных банков данных, обеспечивающих формализацию структурного синтеза, т. е. внедрение автоматизации на всех этапах создания устройства и обеспечения «конечной цели любой области знания, состоящей в сведении задачи проектирования до такого уровня, когда неспециалисты могут легко пользоваться ее результатами».
|
