Содержание к диссертации
Введение
1 Разработка электродинамических моделей излучающих систем ретрансляторов 16
1.1 Типы и основные характеристики зон затенения. Обоснование выбора принципов ретрансляции и типов излучающих систем 16
1.2 Разработка электродинамической модели системы типа «излучающий кабель» 28
1.3 Разработка электродинамической модели излучающей системы пассивного ретранслятора типа «плоская решетка» 38
2 Разработка методик анализа и синтеза излучающих систем ретрансляторов 53
2.1 Разработка методики анализа системы типа «излучающий кабель» в присутствии полупроводящих стенок 53
2.2 Разработка методики синтеза излучающей системы типа «плоская решетка» по критерию максимума интенсивности сигнала в центре зоны обслуживания в области тени 61
2.3 Разработка методики синтеза излучающей системы типа «плоская решетка» с полиномиальным распределением интенсивности сигнала 75
3 Разработка методик проектирования излучающих систем ретрансляторов 97
3.1 Алгоритм проектирования системы типа «излучающий кабель» в протяженном экранирующем сооружении 97
3.2 Разработка методики расчета погонного ослабления излучающего кабеля. Теоретические пределы максимизации к.п.д. системы типа «излучающий кабель» 102
3.3 Организация сдвоенного приема в системе типа «излучающий кабель» 118
3.4 Алгоритм проектирования излучающей системы типа «плоская решетка» на вершине затеняющего препятствия 122
3.5 Расчет элементов излучающей системы типа «плоская решетка» 127
3.6 Выводы по разделу 144
4 Проектирование и экспериментальные исследования излучающих систем ретрансляторов сигналов сухопутной подвижной радиосвязи 146
4.1 Проектирование и экспериментальное исследование системы типа «излучающий кабель» 146
4.2 Проектирование и экспериментальное исследование системы типа «плоская решетка» 155
Заключение 171
Список литературы 176
Приложение
- Разработка электродинамической модели системы типа «излучающий кабель»
- Разработка методики синтеза излучающей системы типа «плоская решетка» по критерию максимума интенсивности сигнала в центре зоны обслуживания в области тени
- Разработка методики расчета погонного ослабления излучающего кабеля. Теоретические пределы максимизации к.п.д. системы типа «излучающий кабель»
- Проектирование и экспериментальное исследование системы типа «плоская решетка»
Введение к работе
Сухопутная подвижная радиосвязь (СПР) в настоящее время является одним из наиболее динамично развивающихся направлений в области телекоммуникаций. Наряду с быстрым непрекращающимся ростом числа сетей, операторов и абонентов СПР общего пользования, наблюдается устойчивая высокая активность в области создания, развития, расширения и модернизации профессиональных (специальных и корпоративных) сетей, систем и подсистем СПР различного назначения и принадлежности, используемых для организации телефонной связи и передачи данных.
Жесткие тактико-технические (оперативно-технические) требования к профессиональным системам СПР (ССПР), как транкинговым, так и с закрепленными за абонентами каналами, в большинстве случаев предполагают принятие специальных мер для резкого повышения надежности и качества радиосвязи в пределах зон обслуживания в местах постоянного или временного пребывания абонентов и на маршрутах их следования с учетом характера рельефа и наличия зон затенения (в том числе сильного), связанных с изрезанностью рельефа местности, наличием затеняющих зданий, деталей ландшафта и т.д. В ряде случаев, особенно для подсистем пешей радиосвязи, отдельные места временного пребывания (маршруты) находятся в сильно экранирующих компактных и протяженных сооружениях, включая подземные.
Традиционные способы обеспечения подвижной радиосвязи в зонах затенения на местности посредством размещения в соответствующих пунктах дополнительных базовых радиостанций или радиостанций-ретрансляторов без переноса рабочих частот, с использованием направленных и слабонаправленных антенн, в ряде случаев оказываются тактически несостоятельными из-за возникновения сильных замираний в зонах интерференции сигналов базовой станции и ретранслятора. Перенос рабочих частот передачи и приема в пределах выделенного диапазона, в принципе, позволяет решить эту проблему, од-
нако многие профессиональные системы и подсистемы СПР, особенно с закрепленными каналами, не допускают использования переноса рабочих частот. Во многих случаях размещение вблизи зоны затенения активного ретранслятора является очевидным образом избыточным даже из технико-экономических соображений, вследствие чего представляется весьма актуальным и перспективным поиск решения проблемы на путях создания пассивного оборудования ретрансляции.
Применительно к обеспечению мобильной и пешей радиосвязи в протяженных экранирующих сооружениях (тоннели, коридоры), традиционная ретрансляция с использованием направленных антенн (систем направленных антенн) нередко недостаточно эффективна в связи с особенностями распространения радиоволн в протяженном сооружении. Применение распределенных излучающих систем (на основе радиоизлучающих кабелей) в настоящее время довольно ограничено, во многом - благодаря недостаточной проработке ряда важных теоретических и прикладных вопросов, связанных с проектированием подобных систем.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема создания эффективных излучающих систем для ретрансляторов сигналов сухопутной подвижной радиосвязи в условиях сильного затенения (экранирования), а также методик их анализа и проектирования.
Состояние вопроса
Традиционные методы обеспечения радиосвязи, в том числе подвижной, в локальных зонах затенения на основе применения активных или пассивных ретрансляторов широко распространены в современной технике радиосвязи [1, 42, 58, 59, 67-75, 77, 78, 86]. Для ретрансляции сигналов в составе систем фиксированной связи [1, 42] (в основном, радиорелейных) достаточно широко используются пассивные ретрансляторы на основе пар остронаправленных антенн.
Ретрансляция сигналов СПР осуществляется в большинстве случаев активными ретрансляторами [67, 68, 75] с переносом рабочих частот радиоканалов или без переноса, причем в качестве излучающих систем ретрансляторов используются как типовые антенны стационарных объектов [3, 4, 31, 32, 59, 75], так и специально разработанные (адаптированные) для использования с ретрансляторами [58, 59, 67, 68, 75, 83].
Пассивные ретрансляторы СПР, в основном, используются в составе оборудования подвижных объектов [77, 78, 86] для компенсации экранирующего действия их кузова и представляют собой, соединение двух простых антенн: внешней (обычно, типовой) и внутренней.
Во всех рассмотренных случаях используются излучающие системы с относительно небольшими электрическими размерами на основе простых слабо-и средненаправленных антенн, вполне удовлетворительно работающие в условиях компактных экранирующих помещений (или в салонах подвижных объектов), но на местности не обеспечивающие ни оптимального облучения затененной зоны, ни надежного решения проблемы интерференционных замираний вблизи ее границ с учетом особенностей распространения радиоволн и характера затеняющих препятствий [11, 28].
Применительно к протяженным экранирующим сооружениям (тоннели, коридоры), вопросы обеспечения СПР решаются исключительно методами активной ретрансляции. В качестве излучающих систем в экранированной области пространства используются либо типовые антенны, установленные в сооружении (при необходимости — вдоль сооружения с определенной периодичностью) [58, 68, 75], или распределенные вдоль сооружения системы на основе излучающего кабеля [52-54].
В обоих случаях наиболее существенные проблемы связаны с особенностями распространения электромагнитных волн внутри экранирующего сооружения, наличием быстрых замираний, обусловленных многократными переот-
ражениями, сильной зависимостью полей от электрофизических и геометрических параметров сооружения.
Проблеме анализа и моделирования распространения радиоволн в протяженных сооружениях посвящена обширная литература [7, 13, 55-57, 60-66, 69-73, 76, 79-82, 84, 85, 87-92]. При этом, в большинстве случаев, рассматриваются процессы распространения электромагнитных волн вдоль тоннеля как своеобразной направляющей среды, на основе методов геометрической и физической оптики или с применением аппарата, разработанного для многомодовых волно-ведущих структур. Однако, для распределенных излучателей типа «излучающий кабель» указанные модели, принципиально ориентированные на анализ волновых процессов в структурах при их локальном возбуждении, не адекватны решаемой задаче и не могут быть успешно применены.
В рамках сформулированной проблемы, применительно к задачам разработки моделей и методик анализа, синтеза и проектирования излучающих систем ретрансляции, должны быть отмечены еще два существенных аспекта.
Во-первых, адекватность и достаточная точность моделей, эффективность методик и алгоритмов, должны обеспечиваться в современных условиях на основе строгих электродинамических методов анализа и синтеза [6, 19, 25, 26, 30, 36, 38, 50]. Сравнительная оценка существующих методов анализа электродинамических систем позволила, в качестве наиболее перспективных в рамках рассматриваемой проблемы, выделить методы интегрального уравнения, а из их числа - метод обобщенной эквивалентной цепи (ОЭЦ) [25, 26]. Это связано с тем, что существующие методы на основе тонкопроволочного приближения [50] эффективны для анализа систем из тонких проводников круглого поперечного сечения. При анализе проводников увеличенного сечения или другой формы их эффективность резко падает. Методы на основе интегральных уравнений с точным ядром, в том числе сводимых к сингулярным уравнениям [10, 39, 51], в настоящее время вообще развиты только применительно к круглоци-линдрическим проводникам. В отличие от них, метод ОЭЦ обеспечивает доста-
точную эффективность при анализе электрически толстых проводников и достаточно универсален в смысле формы поперечного сечения.
Во-вторых, поле в точке приема, в рамках рассматриваемой проблемы, носит ярко выраженный стохастический характер и его анализ требует применения соответствующих статистических методов [11, 13, 49, 55, 60, 64].
Цель работы - создание излучающих систем для устройств активной и пассивной ретрансляции сигналов сухопутной подвижной радиосвязи в условиях сильного затенения, включая полное экранирование, эффективных методик их анализа и проектирования.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе выполнена следующая программа исследований.
Разработка электродинамической модели системы типа «излучающий кабель»
Излучающие кабели в настоящее время находят достаточно широкое применение в составе систем ретрансляции сигналов сетей подвижной радио связи (СПР) различных принадлежности и назначения внутри протяженных экранирующих сооружений.
Излучающий кабель в большинстве случаев представляет собой коаксиальную линию передачи с перфорированным экраном (т.е. фактически систему щелевых излучателей, возбуждаемых бегущей по кабелю волной).
Полупроводящие, вообще говоря, стены протяженных сооружений (транспортных тоннелей, подземных выработок, коммуникаций и т. п.), в силу их конфигурации и условий установки кабеля, расположены достаточно близко как от кабеля, так и от абонента СПР, существенным образом влияют на структуру электромагнитного поля внутри сооружения и должны быть учтены при анализе.
Обоснование подходов к такому анализу будем искать при следующих допущениях.1) Система представляет собой бесконечный прямолинейный излучающий кабель, размещенный в бесконечном тоннеле постоянного прямоугольного сечения вблизи стенки, параллельно ей.2) Щелевые излучатели (отверстия в экране кабеля) имеют достаточно малые электрические размеры, так что их можно считать элементарными магнитными вибраторами (ЭМВ).3) Стены сооружения являются достаточно толстыми, так что само сооружение может рассматриваться как воздушная полость в сплошной бесконечной однородной полупроводящей среде.
Для дальнейшего анализа воспользуемся известным решением задачи о рассеянии полей горизонтального и вертикального элементарных электрических вибраторов (ЭЭВ) на плоской бесконечной границе раздела двух сред [5, 33] и модифицируем его для системы ЭМВ, используя принцип перестановочной двойственности.Пусть горизонтальный ЭМВ ориентирован вдоль оси X декартовой системы координат, а ось Z перпендикулярна поверхности раздела XOY (рис. 1.5).
В общем случае в произвольной точке пространства такой ЭМВ будет создавать три составляющих вектора напряженности магнитного поляУчет конечной проводимости второй среды (стенки) проведем с использованием граничных условий импедансного типа, причем для поверхностного импеданса 3 используем выражение [33]: где є - относительная диэлектрическая проницаемость среды, о - удельная электрическая проводимость, X - длина волны.
Для ЭМВ, ориентированного так, как это показано на рис. 1.5, комплексные амплитуды составляющих вектора Й имеют вид [34]: Непосредственной подстановкой (1.3) - (1.5) в (1.2) нетрудно убедиться, что поле в точке наблюдения может быть представлено как суперпозиция поля ЭМВ в свободном пространстве и поля его зеркального изображения, причем комплексная амплитуда дипольного момента этого второго ЭМВ определяется электрофизическими параметрами второй среды (стенки). Соответствующие выражения весьма громоздки и здесь не приводятся.Аналогично рассмотрим поле вертикального вибратора.Пусть вертикальный ЭМВ ориентирован вдоль оси Z декартовой системы координат, а ось Z перпендикулярна поверхности раздела XOY (рис. 1.6). Совместим с декартовой системой цилиндрическую систему координат r, p,z.Комплексные амплитуды составляющих вектора Й в цилиндрической системе координат имеют вид [5]:
Остальные величины, входящие в (1.17), были определены выше.Легко убедиться, что и в этом случае поле в точке наблюдения может быть представлено как суперпозиция поля ЭМВ в свободном пространстве и поля его зеркального изображения.Переходя к одновременному учету всех четырех имеющихся границ раздела (рис. 1.7), видим, что, результирующее поле будет определяться, строго говоря, бесконечным числом зеркальных изображений ЭМВ.Поле в полости, таким образом, описывается рядом, причем скорость сходимости последнего, очевидно, определяется электрофизическими параметрами второй среды.
При этом результирующее поле может быть представлено в виде ряда по парциальным полям следующим образом:
Очевидно, характер сходимости рядов по парциальным волнам будет зависеть от электрофизических параметров стенок и может быть оценен непосредственно в ходе выполнения расчетов. Критерием оценки погрешности, возникающей при усечении ряда (1.18), может выступать точность выполнения граничных условий на поверхностях раздела.
На завершающем этапе анализа, должен быть осуществлен переход от ЭМВ к бесконечному кабелю (т.е. к суперпозиции полей ЭМВ). При этом результирующее поле также описывается соответствующим рядом.
При построении электродинамической модели излучающей системы ретранслятора типа «плоская решетка» будем исходить из того, что электродинамический анализ системы, как уже отмечалось выше, целесообразно выполнять методом обобщенных эквивалентных цепей (ОЭЦ) [25, 26, 50]. Это обусловлено, по крайней мере, следующими соображениями.
Во-первых, для максимизации наведенного тока, обеспечения механической прочности (в условиях необслуживаемой эксплуатации) и т.п. поперечные размеры переизлучающего элемента системы целесообразно увеличивать. Во-вторых, из конструктивных соображений может оказаться целесообразной некруговая форма поперечного сечения. Как известно, при этих условиях резко снижается эффективность методов на основе тонкопроволочного приближения [50]. Методы на основе интегральных уравнений с точным ядром, сводимых к сингулярным уравнениям, в настоящее время развиты только применительно к круглоцилиндрическим проводникам [10, 39, 51]. В то же время, метод ОЭЦ обеспечивает достаточную эффективность при анализе электрически толстых проводников и достаточно универсален в смысле формы поперечного сечения.
Метод ОЭЦ, как известно [50], позволяет построить вычислительные алгоритмы с обращением матрицы потенциальных коэффициентов и без обращения этой матрицы. В первом случае возрастают вычислительные затраты, однако в ряде специальных случаев обеспечивается лучшая устойчивость и сходимость алгоритма. В частности этот эффект имеет место при анализе структур распределение поверхностных токов и зарядов в которых в основном обусловлено взаимодействием близко расположенных частей, для которых элементы обращенной матрицы вырождаются в обычные электрические емкости (вследствие малости электрических расстояний и, соответственно, фазовых задержек). В данном случае эти преимущества могут быть востребованными (исследуются
Разработка методики синтеза излучающей системы типа «плоская решетка» по критерию максимума интенсивности сигнала в центре зоны обслуживания в области тени
В сетях сухопутной подвижной связи возникают ситуации, когда из-за рельефа местности или особенностей городской застройки нарушается прохождение радиоволн между базовой станцией и подвижными объектами, находящимися на некоторых участках обслуживаемой территории [4]. Для обеспечения надежной радиосвязи на этих участках обычно применяют активные ретрансляторы [9]. Однако, было бы весьма желательно, особенно в транковых сетях специального назначения, вместо активных использовать пассивные ретрансляторы.
Пассивные ретрансляторы используются в радиорелейных линиях связи [3], при этом ближайшие к пассивному ретранслятору активные станции находятся в дальней зоне (зоне Фраунгофера). В сетях подвижной связи, как это следует из энергетических соображений, подвижная станция как правило, а базовая достаточно часто будут находиться в промежуточной зоне (зоне Френе ля). Отсюда следует надобность в рассмотрении синтеза пассивного ретранслятора, предназначенного для работы в зоне Френеля.
Рассмотрим плоский ретранслятор типа «плоская решетка», состоящий из чередующихся прозрачных и непрозрачных (например, металлических) элементов (рис. 2.3). Задачу синтеза поставим следующим образом: нужно определить размеры элементов ретранслятора так, чтобы сигнал от пункта передачи, попавший на ретранслятор, был сфокусирован в пункте приема. Поскольку рассматриваемый ретранслятор - типа «плоская решетка», пункты передачи и приема должны быть расположены по разные стороны плоскости ретранслятора. В остальном расположение пунктов передачи и приема может быть произвольным.
Мы условно, для краткости, называем базовую станцию передающей, а абонентскую - приемной; поскольку пассивный ретранслятор - взаимное устройство, будет ли направление радиоволн прямым или обратным, значения не имеет. Полагаем, что оба эти пункта находятся в зоне Френеля.Задача синтеза в нашем случае - определить расстояния между центрами элементов ретранслятора.
Процедура синтеза заключается в итеративном определении положений последующих элементов по уже определенным положениям соседних с ними элементов.
Предполагается, что расстояния между соседними элементами ретранслятора гораздо меньше расстояний от этих элементов до пунктов передачи и приема. Размеры всего ретранслятора могут быть сравнимы с расстояниями до пунктов передачи и приема - они не накладывают ограничений на точность расчета.
Выберем систему декартовых координат так, чтобы плоскость ретранслятора была параллельна плоскости X. При этом общность решения не теряется, т.к. координаты пункта передачи Хт, YT, ZT и приема XR, YR, ZR могут быть произвольными.
Будем поочередно определять межцентровые расстояния для соседних элементов вдоль координат Z и Г; обозначим их, соответственно, AZ и AY. На рис. 2.4 Т- пункт передачи, R - пункт приема, 1 и 2 - элементы ретранслятора; здесь и далее RT - расстояние от пункта передачи до центра первого элемента ретранслятора, RR - расстояние от центра первого элемента ретранслятора до пункта приема. Соседний элемент должен препятствовать прохождению в пункт приема колебаний, противофазных колебаниям, прошедшим через первый элемент. Поэтому межцентровое расстояние должно быть таким, чтобы длины путей колебаний, прошедших от пункта передачи до пункта приема через центры соседних элементов отличались на половину длины волны. Тогда для элементов, расположенных один под другим, получим:
Решения этих уравнений дают межцентровые расстояния вдоль координаты Z или Y при условии, что остальные координаты у двух рассматриваемых элементов одинаковы. Таким образом, создается возможность синтеза ретранслятора путем последовательного определения координат центров его элементов. Координаты центра начального элемента должны быть выбраны (заданы).
В случае, если расстояние от ретранслятора до базовой станции велико, т.е. оно гораздо больше размеров ретранслятора, мы полагаем в приведенных выше уравнениях RT -»со , после чего получаем:
Здесь а - высота элемента с номером, соответствующим индексу при a, Z - координата центра элемента с соответствующим индексом. Если таким образом определены размеры всех четных элементов, то нечетные заполняют оставшееся место, или, соответственно, наоборот. Для ширины элемента Ъ и координаты 7 поступаем аналогично.
Алгоритм расчета представлен на рис. 2.5. На нем т - число элементов ретранслятора по вертикали (число рядов), п - число элементов ретранслятора по горизонтали (число столбцов). Возможно и другое построение алгоритма, когда внутренний цикл выполняется по строкам.Выбор того или другого для конкретных условий определяется технологическими соображениями, т.к. в зависимости от этого элементы ретранслятора
Разработка методики расчета погонного ослабления излучающего кабеля. Теоретические пределы максимизации к.п.д. системы типа «излучающий кабель»
Условия распространения электромагнитных волн могут изменяться вдоль трассы излучающего кабеля, так что в разных ее частях может потребоваться различная интенсивность излучения [106]. Поэтому при проектировании трассу следует разделять на участки, в пределах каждого из которых условия распространения относительно мало изменяются, и может быть обеспечен постоянный минимально допустимый уровень интенсивности излучения, которую далее будем характеризовать погонной мощностью излучения. В пределах каждого такого участка может быть использован однородный отрезок излучающего кабеля, либо каскадное соединение нескольких однородных отрезков с различными значениями погонной мощности излучения. Ниже будет показано, что второй вариант (каскадное исполнение) позволяет значительно повысить к.п.д. Следует отметить, что и само деление трассы на участки (с относительно постоянными условиями распространения) также преследует целью увеличениек.п.д. всей системы. Отметим также, что реализация на практике плавного изменения вдоль трассы уровня излучения встречает серьезные затруднения, связанные не столько с технологией изготовления, сколько с необходимостью реализации различных законов изменения погонной излучаемой мощности для каждой конкретной трассы [106].
Рассмотрим сначала однородный отрезок кабеля, нагруженный балластной нагрузкой. Это может быть как ретранслятор на однородной трассе, так и последний однородный участок при каскадном построении ретранслятора. Вход кабеля совместим с точкой z = 0, выход - с точкой z = L{L длина кабеля). Будем пока считать, что в кабеле имеют место потери только на излучение.
Так как кабель однородный, функцию распределения проходящей мощности (передаваемой по кабелю) определим как P{z) = Р(0)ехр(-а z), где а -коэффициент затухания по мощности, обусловленного потерями на излучение (а 0). Функцию распределения погонной излучаемой мощности обозначим P(nH)(z). Вполне очевидно, что, коль скоро тепловые потери отсутствуют, то P(nn)(z) = -dPIdz = Р(0) а ехр(- 2 z).
Так как данный участок трассы является однородным, на всем ее протяжении требуется обеспечить уровень погонной излучаемой мощности не меньше некоторой минимально допустимой величины Р(ПИ)тт Понятно, ЧТО эта величина достигается на выходе кабеля, на остальном его протяжении погонная излучаемая мощность будет больше. Поставим задачу максимизации к.п.д. данной системы. Этот параметр определим обычным образом - как отношение полезной мощности к мощности потерь, относя к последней сумму мощности, поглощаемой балластной нагрузкой, и мощности, затрачиваемой на избыточное излучение.
Нетрудно видеть, что поставленная таким образом задача сводится к минимизации входной мощности Рх = Р(0) при заданном уровне погонной излучаемой мощности на выходе: P(nH)(Z) = Р(Пи) min (в самом деле, при фиксированном значении Р(ПИ) min увеличение Рх происходит только за счет увеличениямощности, отдаваемой в балластную нагрузку, и избыточного излучения). На рис.3.2 показаны графики функций распределения проходящей мощности. Идеальное распределение P(m)(z) представляет собой линейную функцию вида:
График этой функции показан на рис.3.2 жирной линией (отрезком прямой). Потери мощности в балластной нагрузке отсутствуют, на всем протяжении кабеля с/-Р(ид) Idz = Р(ПИ) rain , т.е. отсутствует также избыточное излучение. Следовательно, к.п.д. такой системы равен единице (напомним, что тепловыми потерями мы пока пренебрегаем).Реальная характеристика P{z) представляет собой экспоненциально убывающую функцию. При такой характеристике имеются потери мощности в балластной нагрузке Р0 = P{L), а также потери APZ = Р\- {Р\(т)+Ро) , затрачиваемые на избыточное излучение (см. рис.3.2). В реальной системе к.п.д. будет меньше единицы.
Минимизация Рі в данном случае предполагает наличие только одного варьируемого параметра - коэффициента затухания а. Поэтому для решения задачи минимизации необходимо определить функцию Р\{а). Данную функцию получим из условия обеспечения минимально допустимого погонного излучения на выходе кабеля Р1(2Єхр(- ) = Р(пи)тіп, из которого следует:
Нетрудно видеть, что limPi(a) = oo, и limPj(a) = oo (в частности, принеограниченном увеличении а экспонента в числителе возрастает быстрее знаменателя). Следовательно, функция Р\(а) должна иметь минимум. Дифференцируя данную функцию, получаем:найденный экстремум действительно является искомым минимумом.
Входная мощность Pi и мощность PQ, поступающая в балластную нагрузку, определятся при этом соотношениями:т.е. мощность при прохождении оптимизированного однородного отрезка излучающего кабеля всегда уменьшается в е раз вне зависимости от его длины и от величины P(n„)min.
Потери мощности можно определить как разницу входной мощности оптимизированного кабеля и входной мощности при идеальной функции распределения. При этом имеем к.п.д.:Таким образом, в оптимизированном по потерям в балластной нагрузке и избыточному излучению однородном отрезке излучающего кабеля к.п.д. не зависит ни от длины, ни от требуемой погонной мощности излучения и составляет около 37%. Поскольку при этом не учитывались погонные потери, величину е можно считать теоретическим пределом максимизации к.п.д. при однородном кабеле.
Увеличение к.п.д. может быть достигнуто за счет изменения а вдоль трассы. Из общих соображений понятно, что, коль скоро при малых z мощ ность излучения избыточна, можно было бы в этой части трассы уменьшить а, т.е. уменьшить излучение, а высвободившуюся при этом мощность передать на участки вблизи нагрузки. С практической точки зрения наибольший интерес представляет реализация ступенчатого изменения а. Это обусловлено тем, что, как уже было отмечено, изготовление кабелей с плавным изменением а встречает серьезные трудности [106]. С другой стороны при неограниченном увеличении числа участков с постоянным значением а в пределе, очевидно, получим плавный закон изменения а, так что изложенная ниже методика может рассматриваться и как расчетная модель для таких кабелей.
При ступенчатом изменении а кабель выполняется в виде каскадного соединения участков (каскадов) с различными значениями а. Трасса при этом остается однородной с точки зрения постоянства Р(ПИ)тт 5 но уже является неоднородной с точки зрения изменения погонных потерь на излучение.Каскадное построение кабеля проиллюстрировано на рис.3.3 на примере
Проектирование и экспериментальное исследование системы типа «плоская решетка»
Проектирование ретранслятора заключается в определении размеров его элементов, а также в определении их пространственного расположения. Ниже приведены этапы проектирования и измерения основных параметров макета ретранслятора.
Элемент ретранслятора разработан на основании содержания п. 3.5. Элемент (см. рис. 4.6) выполнен из полоски дюраля толщиной 1,5 мм. Периметр поперечного сечения полоски равен длине окружности поперечного сечения аналога — проволочного (круглоцилиндрического стержневого) элемента, рассчитанного также в соответствии с п.3.5. Длина полоски равна длине кругло-цилиндрического элемента.
Центральное отверстие предназначено для крепления элемента к стойке ретранслятора. Крайние отверстия могут, при необходимости, быть использованы для подвески элемента посредством диэлектрических тросиков. Элемент ретранслятора является наиболее существенной его частью. Именно он оказывает электродинамическое воздействие, обеспечивая возникновение сигнала в требуемом пункте. Остальные части ретранслятора обеспечивают крепление элементов и удобство проведения эксперимента.
Требования к конструкции макета ретранслятора, предъявляемые условиями проведения эксперимента, необходимостью отладки макета системы ретрансляторов в процессе выполнения экспериментальных исследований, состоят в удобстве установки ретрансляторов на крыше здания и демонтажа их, в удобстве регулировки положения ретрансляторов. Требуется также, чтобы элементы ретранслятора можно было бы быстро опускать и восстанавливать на прежние места - это нужно для сравнения уровня поля при наличии ретранслятора и без него.
Предложенная и осуществленная конструкция макета ретранслятора в полной мере удовлетворяет этим требованиям (рис. 4.7). На этом рисунке слева изображен ретранслятор сбоку, а в правой части рисунка показан вид на ретранслятор спереди.
На деревянной рейке 1 крепятся элементы 2 ретранслятора. Основание 3 ретранслятора выполнено в виде струбцины; с помощью винтов 6 оно фиксируется на бордюре 5. Рейка 1 с помощью винта 4 зажимается между щеками основания и, таким образом, надежно фиксируется в нем.
Для опускания элементов ретранслятора нужно ослабить винт 4, опрокинуть рейку 1 ретранслятора на себя и положить ее на крышу. В таком положении ретранслятор практически не влияет на поле в точке измерения внизу у стены здания. Для восстановления нужно поднять рейку и затянуть винт 4. Для регулировки положения ретранслятора следует ослабить винты б и смещать ретранслятор вдоль бордюра до требуемого места.
В макете использованы пять ретрансляторов (секций) по два элемента (этажа) в каждом. Примерное расположение элементов в макете системы ретрансляторов показано на рис. 4.8.
Рисунок 4.7 - Конструкция макета высоте -1м над уровнем крыши. Верхние элементы установлены точно над нижними, но на разных расстояниях от них по высоте.
В таблице 4.1 приведены относительные координаты центров элементов системы ретрансляторов, рассчитанные согласно для работы от сигнала передатчика телевизионного вещания 27 канала (ОРТПЦ г. Самара).
Следует отметить, что в данной конструкции элемента, предложенной автором в рамках 3-го этапа НИР «Транспарант» [22], количество цветного металла, который собственно только и участвует в переизлучении, во всей системе ретрансляторов гораздо меньше, чем в макете одного двухэлементного ретранслятора на 2-м этапе НИР [21], хотя используемая волна длиннее, а расстояние от ретранслятора до пункта приема на порядок больше.Фотографии системы ретрансляторов, установленных на крыше, приведены на рис. 4.9 и 4.10.
Уровни поля фиксировались с помощью измерителя электромагнитных полей типа SMV-8.5. Прием осуществлялся на логопериодическую антенну, входящую в комплект прибора. Уровень отсчитывался селективным микровольтметром, также входящим в комплект упомянутого прибора (рис. 4.11).
