Принципы оптимального синтеза

Термином оптимальный синтез определяют процесс построения устройства с заданными свойствами, оптимально учитывающий совокупность технико-экономических требований. Этому процес¬су сопутствует ряд промежуточных операций; анализ — теорети¬ческое либо экспериментальное нахождение свойств заданного устройства; структурный синтез—поиск оптимальной, в оговорен¬ном смысле, структуры устройства; параметрический синтез — поиск таких значений элементов (при выбранной структуре), ко¬торые обеспечивают оптимальное функционирование устройства по заданным критериям (по заданной целевой функции). Целе¬вая функция — функция вектора варьируемых параметров, харак¬теризующая качество функционирования устройства. Под варьи¬руемыми параметрами понимают те из числа параметров мате¬матической модели, на основе изменения которых решается зада¬ча параметрического синтеза. Математической моделью называют математическое описание (алгоритм, функция, функционал, система уравнений), определяющее с требуемой точностью свойства устройства. Рациональная организация оптимального синтеза определяется выбором мате¬матической модели, тактикой ее использования, степенью авто¬матизации этапов синтеза, своевременным комплектованием бан¬ка данных, методикой его формирования и хранения. Основой для построения математической модели устройств УВЧ и ОВЧ являются уравнения Максвелла. При непосредствен¬ном их использовании анализ сводится к интегрированию систе¬мы дифференциальных уравнений с частными производными в об¬ласти с металлическими и магнитоэлектрическими включениями. Этот подход позволяет получить результаты с точностью, ограни¬ченной лишь вычислительными погрешностями, однако его реали¬зация связана со значительными трудностями и требует исполь¬зования 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 гло¬бальный минимум целевой функции среди множества локальных. На таком уровне оптимальный синтез в настоящее время в боль¬шинстве случаев невыполним. На практике целесообразно пользоваться другой организаци¬ей синтеза — итеративной: синтез начинают с разумно-прибли¬женной модели, обеспечивающей обозримость результатов при умеренной точности. Иначе говоря, вначале используют модель, которая позволяет принять некоторое техническое решение, имею¬щее принципиальный характер. Затем эти результаты постепен¬но, по мере необходимости уточняют путем ступенчатого услож¬нения модели. Чаще всего подразумевалась вычислительная схема, в которой модель первого уровня поставляет начальное прибли¬жение для модели следующего уровня, основанной на неупро¬щенной постановке электродинамической задачи. В действитель¬ности это возможно лишь в тех случаях, когда проектируемый объект сравнительно прост. Для сложного объекта иногда можно построить целую систе¬му вложенных друг в друга моделей, все более полно отражаю¬щих его реальные свойства. Иногда подобные идеи излагаются с позиций системного ана¬лиза; предлагается два класса моделей и соответственно два класса алгоритмов; быстрые и поверочные. С помощью быстрых алгоритмов на упрощенной модели выбирают основные парамет¬ры будущей конструкции, принимают проектные решения, форми¬руют «облик изделия». Затем с помощью более полной модели проводят уточняющую коррекцию. Таким образом, двухэтапность (многоэтапность) процесса синтеза является основой рациональ¬ной его организации. Теперь конкретизируем этапы итеративного синтеза. Можно связать их с дискретной последовательностью собственных типов волн, свойственных синтезируемому устройству. Основной (рас¬пространяющийся, «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 сверхширокопо¬лосных устройствах, во многих случаях их влиянием можно либо пренебречь, либо учесть с помощью несложных эксперимен¬тальных или расчетно-экспериментальных методов. Сущест¬вует, однако, класс устройств (например, волноводные фильтры на индуктивных штырях, воздушно-полосковые фильтры на индуктивных штырях и др.), где используют сильные неод¬нородности, формирующие мощные поля нераспространяющихся высших типов волн; они необходимы для реализации функцио¬нального 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, аппроксимиру¬ют сосредоточенными индуктивностями и емкостями. Эффективные результаты таких аппроксимаций опубликованы в. С помощью этого приема основная одноволновая модель формально охватывает все степени интенсивности реак¬тивных полей, вызванных нераспространяющимися типами волн, т. е. во всех случаях создается «облик изделия»; в дальнейшем его уточняют на моделях более высокого уровня, если есть необ¬ходимость. Приведенные соображения не новы, они складывались посте¬пенно в течение последних десятилетий и обеспечили становле¬ние техники пассивных устройств СВЧ, УВЧ и ОВЧ. Характерной чертой этого процесса была информационная обратная связь ме¬жду результатами синтеза различных устройств и накоплением данных для их структурной оптимизации в начале синтеза. Эта особенность процесса успешно использовалась инженерами в ви¬де 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 автомати¬зации на всех этапах создания устройства и обеспечения «конеч¬ной цели любой области знания, состоящей в сведении задачи проектирования до такого уровня, когда неспециалисты могут легко пользоваться ее результатами».