Содержание к диссертации
Введение
1 Разработка электродинамических моделей и методик анализа излучающих структур призем ных антенн 27
1.1 Постановка и классификация задач анализа излучающих структур приземных антенн ДКМВ диапазона 27
1.2 Разработка электродинамической модели и методики решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения с поверхностным интегралом 32
1.3 Разработка электродинамической модели и методики решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении. Обоснование эквивалентного радиуса проводника в сетке, имитирующей поверхность земли 47
1.4 Тестирование разработанных методик, сопоставление с из вестными методами 62
1.5 Выводы по разделу 69
2 Разработка методик синтеза устройств фидерного тракта 71
2.1 Общая постановка задачи. Классификация устройств фидерного тракта 71
2.2 Проблема согласования приземных антенн в условиях нестабильности электрофизических свойств местного грунта 80
2.3 Разработка процедуры формализации множеств согласуемых нагрузок и методики синтеза перестраиваемых согласующих устройств .. 91
2.4 Исследование согласующих и фильтрующих свойств согласующих устройств на основе различных схем 101
2.5 Разработка методики синтеза перестраиваемых и неперестраиваемых широкополосных фазирующих устройств 114
2.6 Выводы по разделу 121
3 Разработка общей методики проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона. разработка алгоритмов автоматической настройки согласующих и фазирующих устройств 123
3.1 Классификация автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона 123
3.2 Разработка общей методики проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств 128
3.3 Разработка аддитивной модели согласующего или фазирующего устройства, учитывающей взаимное влияние элементов и обеспечивающей функциональную зависимость фактических импедансов элементов схемы от команд управления 138
3.4 Разработка алгоритмов автоматической настройки согласующих и фазирующих устройств 145
3.5 Разработка расчетно-экспериментальной методики определения входных импедансов антенн путем их измерений через недоступные фидеры неопределенной длины с последующим спектральным анализом 158
3.6 Автоматизация процессов измерения регулировочных характеристик согласующих и фазирующих устройств в рамках пуско-наладочных работ 168
3.7 Выводы по разделу 176
4 Экспериментальные исследования и практи ческая реализация автоматизированных антенно-фидерных устройств дкмв диапазона 178
4.1 Экспериментальные исследования и практическая реализация турникетного приземного излучателя и широкополосного неперестраи-ваемого фазовращателя из состава антенно-фидерного устройства зенитного излучения 178
4.2 Экспериментальные исследования и практическая реализация автоматизированных согласующего и фазирующего устройств из состава автоматизированного комплекса технических средств аварийной адаптивной ДКМВ радиосвязи 192
4.3 Экспериментальные исследования и практическая реализация коммутируемого антенного согласующего устройства из состава комплекса технических средств автоматизированной адаптивной радиосвязи в диапазоне ДКМВ 212
4.4 Выводы по разделу 227
Заключение 229
Список литературы 235
Приложение
- Разработка электродинамической модели и методики решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения с поверхностным интегралом
- Разработка электродинамической модели и методики решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении. Обоснование эквивалентного радиуса проводника в сетке, имитирующей поверхность земли
- Разработка процедуры формализации множеств согласуемых нагрузок и методики синтеза перестраиваемых согласующих устройств
- Разработка аддитивной модели согласующего или фазирующего устройства, учитывающей взаимное влияние элементов и обеспечивающей функциональную зависимость фактических импедансов элементов схемы от команд управления
Введение к работе
Декаметровая (ДКМВ) радиосвязь, вопреки недавним сомнениям, сохранила свое значение, интенсивно модернизируется и органически входит в современную систему телекоммуникаций как важное средство сухопутной, морской и воздушной радиосвязи и в частности - важнейшее резервное (аварийное) средство специальной связи [60, 137]. Основными целями проводимой в настоящее время модернизации систем ДКМВ радиосвязи [31, 39, 137] являются существенное повышение качества связи, гибкости, оперативности, помехоустойчивости и надежности сетей ДКМВ за счет применения автоматизированной адаптации оборудования и комплексной автоматизации управления радиосредствами. Успешное решение этих задач, наряду с модернизацией приемопередающего, каналообразующего и оконечного оборудования, предполагает модернизацию и автоматизацию антенно-фидерных устройств (АФУ), создание нового поколения эффективных передающих и приемных антенн, а также быстродействующих автоматизированных устройств согласования, фазирования и коммутации в антенных трактах [28, 31, 35, 137].
При создании нового поколения антенн ДКМВ в современных условиях особое внимание уделяется обеспечению их относительной малогабаритное™ при обеспечении возможности размещения в не подготовленных специально местах, включая площадки с ярко выраженной неоднородностью подстилающей поверхности под антенной по геометрическим и (или) электрофизическим свойствам [28]. С одной стороны, это диктуется актуальными техническими потребностями и связанным с ними ужесточением тактико-технических и технико-экономических требований, требований к условиям размещения и т.д. С другой стороны, эффективное использование современных технологий оперативного автоматизированного согласования открывает дополнительные возможности уменьшения электрических размеров антенны, т.к., в принципе, могут быть предъявлены менее жесткие требования к ее естественному согласованию и к стабильности настройки (нестабильность вызвана суточными и сезонными изменениями состояния местного грунта, элементов фидерного тракта и т.д.). Однако такой подход связан с существенным ужесточением требований к согласующим устройствам и алгоритмам их работы. В свою очередь эффективная реализация автоматической настройки согласующих устройств, как показывает практика, требует более точной информации о входном импедансе антенны. Это же требуется и для решения смежных вопросов, относящихся к электромагнитной совместимости и электромагнитной безопасности [139, 167].
В этих условиях настоятельно необходимым является создание методики электродинамического анализа приземных антенн с учетом неоднородности земной поверхности под антенной и методики синтеза согласующих устройств, отвечающей современным требованиям, обусловленным низким уровнем естественного согласования антенн и нестабильностью настроек.
Организация автоматической работы согласующих и фазирующих устройств требует, как показывает практика, построения адекватных моделей устройств с целью обеспечения их управляемости. Дело в том, что элементы мощных устройств фактически не являются сосредоточенными, так как в ДКМВ диапазоне проявляется распределенный характер их параметров. Это приводит к заметному отличию индивидуальных регулировочных характеристик элементов от их аналогов в фактической эквивалентной схеме устройства (которая получается путем измерений устройства как четырехполюсника). Ранее, при ручной настройке или настройке на заранее подготовленные частоты при достаточно высоком уровне естественного согласования антенн это обстоятельство не было существенным. Автоматизация же предполагает формирование точных команд управления элементами, особенно в условиях, когда настройки получаются узкополосными.
Наконец, имеется практическая потребность в создании самих алгоритмов автоматической настройки по фазочувствительным и амплитудным датчикам коэффициента бегущей волны (КБВ), отвечающих современным требова ниям, что в условиях низкого естественного согласования нагрузки прежде всего связано с обеспечением возможности выбора оптимальных (близких к оптимальным) настроек по критерию минимизации реактивной мощности.
Отметим, что вновь создаваемые методики должны отвечать комплексному подходу, предполагающему проектирование системы «антенна — фидерный тракт» в совокупности с алгоритмами автоматической настройки и решение всего комплекса задач обеспечения заданных характеристик с учетом реальных условий размещения антенны.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема создания методик анализа, синтеза и проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона, обеспечивающих учет неоднородности земной поверхности под антенной, синтез согласующих и фазирующих устройств и быстродействующих алгоритмов их автоматической настройки на основе адекватных моделей и методик.
Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.
Расчетами характеристик приземных антенн диапазона ДКМВ, а также вопросами распространение радиоволн этого диапазона радиоинженеры занимаются уже не один десяток лет. Эти вопросы рассматривались в трудах А. Зоммерфельда (A. Sommerfeld), В.А. Фока, М.А. Леонтовича, Е.Л. Фейнберга, Б.А. Введенского, Г.А. Лаврова, А.С. Князева, Г.З. Айзенберга, В.П. Кубанова, Л.С. Казанского, Р. Кинга (R.W.P. King) и многих других отечественных и зарубежных ученых [23, 54, 94, 101, 107, 117, 124, 126, 133, 142, 177, 180, 222]. Обобщенно рассматриваемый круг задач можно разделить на два, безусловно связанных между собой, вопроса. Первый заключается в электродинамическом моделировании самих антенн, второй - в анализе влияния земли.
Что касается первого вопроса, то тут были разработаны различные методы. Обобщенно здесь можно выделить два класса - методы на основе решения краевых задач для дифференциальных уравнений и методы на основе решения интегральных уравнений (ИУ). Дифференциальные уравнения с использованием конечно-разностного метода их решения применяются для моделирования поверхности земли и пространства вблизи системы «антенна - граница раздела» [207, 210]. Однако при таком подходе возникает проблема пространственного ограничения размеров сетки, и требуются большие вычислительные ресурсы. Поэтому такие методы более эффективны для внутренних задач. Для электродинамического моделирования антенн (внешние задачи) предпочтительнее использование методов на основе ИУ. В рамках данного направления также существует большое разнообразие различных методов и подходов. Прежде всего, следует выделить группу методов, основанных на строгой исходной постановке задачи относительно реальных поверхностных источников. Такие методы развиты в трудах СИ. Эминова, В.А. Яцкевича и других ученых [141, 162, 200, 201, 204]. К этому направлению следует отнести и развитый в трудах Л.С. Казанского и М.А. Минкина метод обобщенной эквивалентной цепи [45, 78, 96]. Данные методы, хотя и позволяют строить устойчивые вычислительные алгоритмы, относительно ресурсоемки. Областью их целесообразного применения является анализ одиночных излучателей и слабоизлучающих структур (например, катушек индуктивности, шлейфов и т.д.).
Альтернативой вышеописанным методам являются методы, основанные на постановке задачи относительно эквивалентных, т.е. смещенных в пространстве от реальных поверхностей антенн, поверхностных или осевых источников. При этом задача сводится к уравнениям Фредгольма первого или второго рода и к их комбинациям, а также к их обобщениям на двумерный или трехмерный случаи. Эти методы развивались в работах Е. Галлена (Е. Hallen), Р.Ф. Хар-рингтона (R.F. Harrington), Г.З. Айзенберга, Е.Н. Васильева, Ю.В. Пименова, В.В. Юдина и многих других отечественных и зарубежных ученых [20, 21, 22, 40, 41, 47, 50, 74, 107, 131, 132, 164, 168, 169, 199, 217, 219]. Данные методы наиболее широко распространены в задачах анализа антенн и реализованы во многих программных пакетах [63, 74, 210]. Основные их достоинства - простота алгоритмизации, сравнительно небольшая потребность в вычислительных ресурсах, универсальность в смысле пространственных форм, многолетний активный опыт их использования. Следует также отметить, что уравнения Фред-гольма второго рода приводят к задачам, корректными по Адамару [47].
Далее перейдем к рассмотрению второго вопроса. Одной из основных и наиболее сложных задач анализа приземных антенн ДКМВ диапазона является задача моделирования границы раздела «земля - воздух». Это становится особенно важным в случае, когда необходимо определить влияние земли не только на характеристики направленности антенны, но и на ее входной импеданс и распределение тока. Рассмотрению этих вопросов также посвящено огромное количество работ [14, 15, 27, 98, 102, 104,107, 113, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 124, 159, 163, 165, 166, 172, 176, 184, 198, 212, 215, 218, 229, 237].
Наиболее простым и приближенным является методзеркальных изображений в предположении идеально проводящей земли [52, 177, 206]. На практике распространен методом на основе функции ослабления [130, 177, 182], являющийся уточненным методом зеркальных изображений - электрическое поле представляется суммой трех слагаемых: стороннее поле (поле антенны), поле зеркального изображения и слагаемое, содержащее функцию ослабления (учитывает влияние неидеальной земли). Вполне очевидно, что считать землю идеальным проводником — весьма грубое приближение. Что же касается функции ослабления, то методы на ее основе не позволяют учитывать неоднородность поверхности земли.
Известны методы, основанные на описании поверхности земли с помощью импедансного граничного условия (условия Леонтовича-Щукина) [133]; при этом земля рассматривается как металлоподобная среда. Задача, как правило, ставится в форме ИУ второго рода относительно тока, наведенного в земле [64, 65, 69]. Исследование импедансных свойств требует привлечения ИУ и для тока антенны, причем оба уравнения необходимо решать совместно. Понятно, что такой подход является ресурсоемким, однако он позволяет учесть неоднородность земли по геометрическим и электрофизическим свойствам.
Для применения условий Леонтовича-Щукина необходимо знать значение импеданса земли или, что одно и то же, ее электрофизические параметры. Для этого проводились и до сих пор проводятся многочисленные измерения, результаты которых легко найти в соответствующей литературе [99, 107, 124].
Следует отметить, что существует точное решение задачи о возбуждении поверхности земли элементарным вибратором. Впервые задачи такого типа изучались А. Зоммерфельдом (A. Sommerfeld) для случая вертикального вибратора, позже полученное решение было уточнено В.А. Фоком [133, 177, 180]. Для горизонтального вибратора аналогичная задача была решена Р. Кингом (R.W.P. King) и Г. Смитом (G.S. Smith) [101, 177]. Хотя полученные точные решения не имеют ограничений на параметры сред и позволяют рассчитывать поле в обеих средах, они являются неудобными с точки зрения построения практических методик на их основе, так как при этом возникают сложности в вычислении комплексных интегралов от функций с особенностями.
Методы, учитывающие влияние земли без использования интегральных уравнений, весьма распространены в задачах исследования характеристик направленности приземных антенн, в том числе с учетом неровностей рельефа местности. Здесь следует, в частности, упомянуть работы В.П. Кубанова [115, 116, 117, 118, 119, 120], в которых развиты методы, так или иначе использующие функцию ослабления и решения задач дифракции на геометрических неод-нородностях. При этом учитываются достаточно протяженные неровности идеализированной формы при однородном грунте по электрофизическим свойствам, т.е. не учитываются факторы, которые являются существенными с точки зрения импедансных свойств антенн и которые могут быть учтены при использовании интегральных уравнений.
Заметим, что рассмотренные выше методы и подходы применяются и во многих других смежных задачах. Так, импедансные граничные условия широко используются для решения задач дифракции на различных хорошо проводящих объектах, объектах с покрытием и т.п. [134, 137, 152, 153, 185, 190, 194, 225]. Вопросы учета рельефа местности также важны и при рассмотрении распространения радиоволн других диапазонов [7, 9, 10, 16, 17, 67, 100, 114]. Например, при моделировании распространения радиоволн в условиях городской застройки используются, в основном, оптические методы, в частности, метод Гюйгенса-Кирхгофа [67]. Также для решения подобных задач может быть использовано преобразование Фурье [98]. Решения аналогичных задач используются при расчетах трасс распространения радиоволн [160, 174, 193, 195, 223, 236, 239].
Следует отметить, что специалисты ФГУП СОНИИР имеют весьма богатый опыт создания приземных антенн диапазона ДКМВ. Для ближних связей при излучении под высокими углами к горизонту была разработана малогабаритная антенна "Зонтик", использующая одну опору высотой 8 - 12 м (в разных исполнениях) [88, 94]. В этой антенне для расширения полосы частот использу-ется параллельное соединение многопроводных вибраторов разной длины [5]. Вибраторы взаимно перпендикулярны, что обеспечивает отсутствие связи между ними и позволяет произвести независимую оптимизацию согласующих цепей [86, 87]; в результате получается уровень согласования, достаточный для работы в диапазоне 1,5...30 МГц. Чтобы гарантировать параметры антенны при любых местных грунтах, А.Л. Бузовым предложено в цепь длинного вибратора включить нагрузочную линию. Таким образом, универсальность антенны достигается за счет некоторого снижения КПД на небольших участках низкочастотной части рабочего диапазона. Именно в таком виде, в соответствии с типовым проектом, был построен ряд антенн на нескольких радиоцентрах.
Антенна "Зонтик", хотя и содержит два взаимно-перпендикулярных вибратора, для создания круговой поляризации непригодна, т.к. вибраторы имеют разную длину и, следовательно, разные электрические характеристики. В [32] рассматривается также разработанная в ФГУП СОНИИР антенна, обеспечи вающая такую поляризацию. Антенна размещается на одной опоре и содержит два одинаковых взаимно-перпендикулярных вибратора. В такой конструкции уже невозможно корректировать частотную характеристику входного сопротивления в разных ее участках, зато имеется возможность ее улучшения за счет квадратурного сложения, осуществляемого для создания круговой поляризации. В [32] рассматриваются соответствующие технические решения. Исследования их характеристик производилось численными методами; влияние земли учитывалось с помощью интегралов Зоммерфельда [210], синтез согласующей цепи выполнялся путем оптимизации с применением модифицированного алгоритма Левенберга-Марквардта.
Управление поляризационными характеристиками антенн ДКМВ, его возможности, эффективность и соответствующие технические решения рассмотрены в работах [25, 68, 104, 105].
Упомянутые выше антенны могут применяться как в качестве передающих, так и приемных. В [97, ПО] рассмотрены приемные антенны с управляемыми поляризационными характеристиками. Эти антенны весьма компактные и широкополосные, поскольку содержат в своем составе малошумящие широкополосные усилители с высоким входным сопротивлением и с постоянным по диапазону выходным сопротивлением, равным волновому сопротивлению антенного фидера. Массогабаритные характеристики активных антенн представляют решающие удобства при их размещении и при создании сложных антенных комплексов ДКМВ с управляемыми поляризационными свойствами.
Проанализировав достоинства и недостатки рассмотренных выше методов, а также существующие технические решения антенных систем автор предложил новый метод, использующий достоинства известных методов и нейтрализующих их недостатки. А именно, для отыскания тока, наведенного в земле, задача ставится в форме ИУ, имеющего смысл граничного условия Леонтовича-Щукина, но при этом сплошная поверхность земли заменяется системой проволок с эквивалентными радиусом, по осям которых течет эквивалентный ток (т.е. используется тонкопроволочное приближение). Для отыскание тока на антенне используется хорошо известное и многократно апробированное уравнение Фредгольма первого рода. Таким образом, трехмерная, по сути, задача свелась к одномерной, а криволинейный контур позволил учесть неровности рельефа. Кроме того, данный подход весьма прост в алгоритмизации.
Полученная система ИУ решалась известным способом по проекционной схеме Бубнова-Галеркина. Данному методу, а также выбору систем базисных и координатных функций посвящено огромное количество литературы [6, 15, 24, 51, 55, 56, 77, 109, 112, 129, 140, 173, 191, 208, 214, 216, 219, 220, 221, 231, 234, 238]. В данной работе использовался хорошо зарекомендовавший себя метод коллокации при кусчно-постоянном базисе разложения токовой функции.
Одной из ключевых и наиболее сложных проблем при создании антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона является проблема согласования и фазирования антенн и их систем. При этом допускается весьма невысокий уровень естественного согласования самой антенны. В диапазоне коротких волн согласование особенно важно, поскольку из всего многообразия используемых в этом диапазоне антенн только два их типа обеспечивают необходимый уровень естественного коэффициента бегущей волны (КБВ) - это ромбические [107] и логопериодические [12, 107], однако, эти антенны весьма громоздки.
Вполне очевидно, что необходимо разрабатывать такие устройства согласования (УС) и фазирования (УФ), которые бы полностью соответствовали упомянутым выше современным тенденциям развития ДКМВ радиосвязи и соответствующим предъявляемым к ним требованиям, которые будут рассмотрены ниже. При этом понятно, что для правильного создания таких устройств необходимо, прежде всего, осуществить их математическое моделирование, а для этого нужно создать адекватные физической реальности математические модели устройств. Кроме того, необходимо синтезировать и оптимизировать эквивалентную схему устройств. Для оптимизации могут быть использованы известные методы [19]. Разработке таких устройств посвящено достаточно большое количество публикаций [48, 58, 66, 70, 71, 72, 73, 90, 91, 93, 94, 108, 144, 155, 156, 157, 170, 186, 187, 188, 189]. Например, для синтеза УС предлагается использование генетического алгоритма [57]. В некоторых работах рассматриваются и цифровые автоматические УС, управляемые алгоритмом вычислительного типа [70, 71]. С точки зрения теории цепей процесс согласования можно рассматривать как трансформацию импеданса нагрузки в требуемое волновое сопротивление фидера передатчика [44, 128]. Так, например, рассматриваются УС на распределенных элементах в виде линии задержки, составляющей из звеньев фильтра нижних частот [156].
Обобщенно все устройства антенно-фидерного тракта могут быть разделены на две большие группы - широкополосные неперестраиваемые [4, 33, 34, 49, 79, 80, 83, 136, 150, 156, 161, 175, 192, 197, 209, 211, 232], свойства которых не меняются с частотой, и узкополосные перестраиваемые или переключаемые [13, 72, 76, 82, 85, 89, 90, 92, 93, 103, 106, 121, 123, 148, 179, 196, 213, 224, 226, 228, 230,235]. Вследствие весьма широкого частотного диапазона, обычно требуемого на ДКМВ, широкополосные УС применяются относительно редко, что определяется фундаментальными ограничениями, открытыми P.M. Фано [44, 49, 175, 211]. Они используются преимущественно, если требуется обеспечить согласование только в узких участках диапазона, которых может быть несколько, в соответствии с регламентом для данной службы [4, 33, 34, 79, 80,83 136]. Наиболее распространены в коротковолновом диапазоне перестраиваемые или переключаемые узкополосные устройства, способные обеспечить согласование во всем требуемом диапазоне, простирающемся до декады (3...30 МГц) и даже более (1,5...30 МГц). Что же касается УФ, то к ним предъявляются менее жесткие требования, поэтому их можно делать и неперестраиваемыми, т.е. широкополосными.
Как известно, в большинстве случаев УС и УФ выполняются в виде контуров Т-, П- или Г-типа на сосредоточенных элементах [135]. При этом в каче стве переменных емкостных элементов в большинстве случаев используются переменные вакуумные конденсаторы, в качестве переменных индуктивностеи - вариометры. До недавнего времени такие устройства рассчитывались как соответствующие схемы с независимыми друг от друга сосредоточенными элементами и моделировались методами теории цепей.
Традиционно настройка антенн с фидером мощного (500 кВт) передатчика осуществлялась с помощью параллельного короткозамкнутого шлейфа по методу В.В. Татаринова [12, 107, 171]. Для осуществления работы в диапазоне частот сам шлейф снабжался скользящими контактами для соединения с фидером, короткозамыкатель тоже снабжался такими контактами. Передвижение шлейфа относительно фидера и короткозамыкателя относительно шлейфа осуществлялось электроприводами. Однако из-за наличия скользящих контактов шлейф работал весьма ненадежно, вследствие чего В.Д. Кузнецовым было предложено применение бесконтактного шлейфа [12, 13, 89, 106, 107, 121, 196], успешно использовавшегося до мощностей 1 и даже 2 МВт.
Для меньших мощностей (250, 100 кВт) используются относительно компактные согласующие устройства, построенные на сосредоточенных элементах [76, 92, 72, 82, 90, 94, 148]. Надежность работы этих устройств достигается применением бесконтактных элементов: переменных вакуумных конденсаторов и бесконтактных вариометров [1, 2, 81, 84, 94, 95, 145, 146, 147, 149].
Заметим, что применение согласующих устройств не только позволяет лучше использовать антенны, сконструированные специально в качестве таковых, но и задействовать с целью излучения радиоволн существующие металлические сооружения, как, например, большую мачту и дымовую трубу судна [226, 227, 228].
В первую очередь речь в данной диссертационной работе пойдет об автоматизированных и адаптивных устройствах. Такие УС и УФ способны отслеживать суточные и сезонные колебания входного импеданса антенны, обусловленные, как было отмечено выше, нестабильностью электрофизических свойств земли [107]. Переход к автоматизированным и адаптивным коротковолновым радиолиниям и сетям радиосвязи [59, 60, 61], в том числе и к адаптивным по частоте [28, 31, 38, 60], вызывает необходимость использования именно таких устройств [72, 123, 213].
Современные принципы создания автоматизированных адаптивных комплексов радиосвязи [28, 31, 38] предполагают использование цифровых технологий. В этой связи оказывается целесообразным построение антенных согласующих устройств на основе переключения дискретных индуктивных и емкостных элементов [213, 230, 93]. Выбор числа и соотношения значений элементов обеспечивает возможность согласования с требуемой точностью на любой частоте диапазона входного сопротивления фидера, лежащего в заданных пределах. Наиболее экономичное соотношение значений ближайших элементов — 1:2, при этом требуется меньше всего элементов. Несмотря на кажущуюся простоту схемного решения, при практической реализации его для широкодиапазонной малогабаритной, а, следовательно, антенны с малым естественным КБВ, даже при небольшой мощности передатчиков (например, до 1 кВт) возникает много важных вопросов как чисто технического, так и теоретического характера. Некоторые из них решены в ходе выполнения настоящей работы.
Вопросам автоматической настройки антенных согласующих устройств также уделяется достаточное внимание [72, 76, 89, 90, 93, 196, 213, 160]. Во многих случаях автоматизация мощных устройств, предназначенных для радиовещания, сводится к выбору одной из предварительных настроек, выполненных на нескольких частотах [13, 89, 92, 196]. Это обусловлено порядком работы коротковолновых радиовещательных станций. Однако, проработаны также и вопросы полностью автоматической настройки на произвольной частоте, как для облегчения осуществления предварительной настройки, так и непосредственной работы на неподготовленной частоте [72, 76, 90, 160]. В [76] рассмотрена настройка согласующих устройств с помощью микро ЭВМ, что, в общем, соответствует современной тенденции автоматизации управления ра диокомплексами [28, 31, 60, 90]. Использовался покоординатный метод. Оптимальный режим работы гарантировался началом настройки с минимальных значений переменных элементов, в результате чего получалась настройка при минимальных значениях элементов и значений напряжений и токов в них. Рассматривалась настройка П-звена с тремя переменными элементами (две емкости и индуктивность) и цепи с тремя переменными емкостями и постоянными в пределах поддиапазонов индуктивностями. В [72] также рассматривается автоматическая настройка согласующего устройства на основе использования ЭВМ в связи с общей системой управления радиокомплексами (АСУ ТП "Радио"). Согласующее устройство на мощность 250 - 300 кВт в виде П-звена настраивалось по методу Гаусса-Зайделя (координатный метод). Общий алгоритм управления устройством включал, в частности, осуществление настройки, начиная со значений элементов, соответствующих поддиапазону, на которые был разбит весь рабочий диапазон устройства, и допусковый контроль, по которому подстройка устройства производилась только в случае изменения КБВ в процессе работы на определенное заданное значение. Эти характеристики алгоритма обеспечивали быструю однозначную настройку и малый износ подвижных частей устройства в процессе эксплуатации. В [160] для автоматической настройки многозвенной цепи предлагается метод настройки, заключающийся в измерении комплексного сопротивления нагрузки, численной оптимизации первоначальных значений элементов, грубой установке настроечных элементов и последующей точной настройке некоторых из элементов на максимум КБВ на входе цепи. Алгоритм обеспечивает быстроту и точность настройки и, кроме того, оптимальные фильтрацию гармоник и режимы работы устройства, что достигается введением при оптимизации в целевую функцию кроме модуля коэффициента отражения еще и коэффициентов фильтрации и значений варьируемых элементов с соответствующими весовыми коэффициентами.
Примером быстроперестраиваемых автоматических согласующих устройств для адаптивной радиосвязи могут служить описанные в [213]. Мощ ность их - 0,6 и 1 кВт. Согласующая цепь - П-звено, элементы которого составляются из дискретных переключаемых вакуумными реле наборов индук тивностей и емкостей, причем Lk = 2 LQ, Ск = 2 С0, где LQ И С0, соответственно, минимальные индуктивность и емкость. Перед настройкой производится измерение входного сопротивления, после чего вычисляются значения элементов согласующей цепи, и производится коммутация для обеспечения этих значений. Получающаяся настройка оказывается грубой вследствие неточности измерений и погрешностей в значениях элементов, которые зависят также и от частоты, особенно индуктивные. Поэтому производится итерационный процесс, в результате завершения которого осуществляется настройка со средней точностью по КБВ 0,83. Диапазоны частот 1,5...30 МГц, типичная скорость настройки 0,4 с.
Вообще же к перестраиваемым УС диапазона ДКМВ предъявляются следующие основные требования:
- должно быть обеспечено согласование нагрузок с весьма низким уровнем естественного согласования (КБВ до 0,1 и даже менее);
- должно быть обеспечено согласование в широкой полосе (коэффициент перекрытия по частоте может достигать 20);
- должна быть обеспечена работа при значительных уровни пропускаемой мощности (десятков и даже сотни кВт).
Реализация указанных требований приводит к росту массогабаритных показателей устройств и их элементов. В свою очередь, рост массогабаритных показателей неизбежно ведет к отклонению характеристик элементов этих устройств от идеальных (тех, что имели бы место у идеальных сосредоточенных элементов), а также к росту взаимного влияния между элементами эквивалентной схемы устройства. В значительной степени это обусловлено тем, что, во-первых, элементы схемы в ДКМВ диапазоне нельзя считать сосредоточенными, т.е. проявляется их квазираспределенный характер, а, во-вторых, элементы взаимодействуют между собой по электромагнитному полю. В рамках матема тической модели все это проявляется как взаимное влияние элементов эквивалентной схемы. Практика показывает, что взаимное влияние элементов эквивалентной схемы может иметь весьма сложный характер и может проявляться достаточно сильно, существенно затрудняя настройку.
В связи с вышесказанным особенно актуальной становится задача повышения точности численного электродинамического моделирования УС. Моделей УС на сосредоточенных элементах становится уже явно недостаточно. Эта проблема особенно актуализируется для рассматриваемых устройств, которые работают в автоматическом режиме.
Следует отметить, что в работе [26] был предложен подход, позволяющий учесть в математической модели устройств квазираспределенныи характер их элементов.
Для решения обозначенной проблемы автором предложена новая аддитивная модель УС, основанная на предположении, что взаимное влияние элементов имеет аддитивный характер. При этом перестройка одного из элементов УС при фиксированном положении других приводит к аддитивным добавкам к номиналам всех элементов эквивалентной схемы.
Далее остановимся на вопросах построения алгоритмов настройки УС и УФ. Алгоритмы автоматической настройки можно разделить, как уже было упомянуто выше, на две группы:
- алгоритмы, не использующие информацию о согласуемой нагрузке;
- алгоритмы, использующие такую информацию.
Первые обеспечивают точную настройку вне зависимости от точности определения положений перестраиваемых элементов, наличия люфтов в приводных механизмах и т.д., но не гарантируют отыскания глобального экстремума целевой функции. Вторые позволяют производить настройку за весьма короткое время, поскольку основные действия производятся на программном уровне, и по более сложным критериям. Главным их недостатком является то, что из-за погрешностей измерения сопротивления нагрузки, недостаточной адекватности математической модели согласующего устройства и погрешности, обусловленной неточностью установки соответствующих номиналов элементов, настройка осуществляется неточно, и максимум КБВ (минимум КСВН) может не достигаться. Однако, этот недостаток можно существенным образом нейтрализовать, используя более точные математические модели устройств, например, аддитивную модель, предложенную автором.
По-видимому, наиболее рациональным является применение комбинированных алгоритмов, реализуемых в два этапа — с осуществлением настройки по измеренным значениям импеданса нагрузки (первый этап) и с последующей «тонкой» подстройкой непосредственно по КБВ или КСВН (второй этап).
На основании вышесказанного автором предложен новый комбинированный алгоритм настройки по измеренным значениям импеданса нагрузки, основанный на аддитивной модели и позволяющий значительно снизить погрешность настройки.
Цель работы - разработка, экспериментальная проверка и реализация методик анализа, синтеза и проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона, включая методику электродинамического анализа приземных антенн с учетом неоднородности земной поверхности под антенной, отвечающую современным требованиям методику синтеза согласующих устройств, адекватные модели согласующих и фазирующих устройств, алгоритмы автоматической настройки согласующих устройств по фазочувстви-тельным и амплитудным датчикам КБВ с минимизацией реактивной мощности.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе выполнена следующая программа исследований.
1. Разработка электродинамических моделей и методик электродинамического анализа приземных проволочных антенн ДКМВ диапазона на основе решения интегральных уравнений (в том числе, для наведенного в земле тока). 2. Исследование проблем согласования приземных антенн в условиях нестабильности электрофизических свойств местного грунта.
3. Разработка алгоритма формализации множеств согласуемых нагрузок и методики синтеза перестраиваемых согласующих устройств.
4. Разработка алгоритмов автоматической настройки согласующих и фазирующих устройств.
5. Разработка аддитивной модели устройств антенно-фидерного тракта, выполненных на сосредоточенных элементах.
6. Разработка методики проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона.
7. Практическая реализация разработанных методик проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения.
Раздел 1 посвящен разработке электродинамических моделей и методик анализа излучающих структур приземных антенн ДКМВ диапазона.
Выполнена общая постановка задачи, и проведена классификация задач анализа излучающих структур приземных антенн ДКМВ диапазона. Разработаны электродинамическая модель и методика решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения с поверхностным интегралом. Разработаны электродинамическая модель и методика решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении. Выполнено обоснование эквивалентного радиуса проводника в сетке, имитирующей поверхность земли. Проведено тестирование разработанных методик и сопоставление результатом с другими результатами, полученными с помощью известных методов. Раздел 2 посвящен разработке методик синтеза устройств фидерного тракта.
Сформулирована общая постановка задачи, и проведена классификация устройств фидерного тракта. Решена проблема согласования приземных антенн в условиях нестабильности электрофизических свойств местного грунта. Разработаны алгоритм формализации множеств согласуемых нагрузок и методика синтеза перестраиваемых согласующих устройств. Выполнено исследование фильтрующих свойств согласующих устройств на основе различных схем. Разработана методика синтеза перестраиваемых и неперестраиваемых широкополосных фазирующих устройств.
Раздел 3 посвящен разработке общей методики проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона, а также алгоритмов автоматической настройки согласующих и фазирующих устройств.
Проведена классификация автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона. Выполнена разработка общей методики проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств, включающей в себя методику электродинамического анализа излучающих структур приземных антенн и методику синтеза устройств фидерного тракта. Построен соответствующий алгоритм проектирования. Предложена новая аддитивная модель согласующего или фазирующего устройства, учитывающая взаимное влияние элементов и обеспечивающая за счет этого адекватность функциональных зависимостей фактических импедансов элементов схемы от команд управления. Разработаны алгоритмы автоматической настройки согласующих и фазирующих устройств, основанные на использовании аддитивной модели. Выполнена разработка расчетно-экспериментальной методики определения входных импедансов антенн путем их измерений через недоступные фидеры неопределенной длины с последующим спектральным анализом. Предложен способ автомати зации процессов измерения регулировочных характеристик согласующих и фазирующих устройств в рамках пуско-наладочных работ.
В разделе 4 изложены результаты экспериментальных исследований и практической реализации методики проектирования автоматизированных ан-тенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона.
Выполнены экспериментальные исследования и практическая реализация турникетного приземного излучателя и широкополосного неперестраиваемого фазовращателя из состава антенно-фидерного устройства зенитного излучения. Выполнены экспериментальные исследования и практическая реализация автоматизированных согласующего и фазирующего устройств из состава автоматизированного комплекса технических средств аварийной адаптивной ДКМВ радиосвязи. Выполнены экспериментальные исследования и практическая реализация коммутируемого антенного согласующего устройства из состава комплекса технических средств автоматизированной адаптивной радиосвязи в диапазоне ДКМВ.
В Приложении приводятся акты об использовании результатов диссертационной работы.
Методы исследований, использованные в работе: методы интегральных уравнений, методы вычислительной электродинамики, методы вычислительной математики, методы теории цепей и длинных линий, методы теории антенн. Для проведения расчетов использовалось программирование на фортране-90 с использованием стандартных библиотек.
Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечиваются адекватностью использованных методов и построенных на их основе расчетных моделей. Достоверность результатов работы подтверждается результатами тестирования предложенных методик на основе численных экспериментов (с сопоставлением с известными методами), результатами сопоставления расчетных и экспериментальных данных и результатами практической реализации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработаны электродинамическая модель и методика электродинамического анализа приземных проволочных антенн с учетом геометрической и электрофизической неоднородности местного грунта на основе интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении.
2. Разработана методика синтеза перестраиваемых согласующих устройств на основе предложенной автором процедуры формализации множеств согласуемых нагрузок.
3. Разработана аддитивная модель перестраиваемых устройств антенно-фидерных трактов на сосредоточенных элементах, учитывающая взаимное влияние элементов и обеспечивающая за счет этого адекватность функциональных зависимостей фактических импедансов элементов схемы от команд управления.
4. На основе предложенной аддитивной модели разработан алгоритм автоматической настройки согласующих устройств, использующий измеряемые значения коэффициента бегущей волны на входе устройства.
Основные результаты диссертационной работы, обладающие научной новизной, получены автором лично.
Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:
1. Разработанные в диссертации электродинамические модели и методики электродинамического анализа расширяют класс задач теории приземных проволочных антенн, решаемых методами интегральных уравнений.
2. Разработанная в диссертации методика проектирования обеспечивает создание полностью автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона с улучшенными характеристиками (электрическими и массогабарит-ными) при значительно меньших издержках на трудоемкие экспериментальные исследования, настройку и доводку изделий.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы внедрены при активном непосредственном участии автора в рамках выполнения работ в интересах управления радиосвязи и управления эксплуатации средств специальной связи Службы специальной связи и информации Федеральной службы охраны Российской Федерации при разработке изделий АЗИ-ПРМ (ОКР «Антенна-1»), АЗИ-ПРД (ОКР «Антенна-2»), КТС ААРС (ОКР «Диполь-1»), АКТС (ОКР «Оптима-С»), КОСАР (ОКР «Орион-С»), а также при разработке технологий проектно-изыскательских, монтажных и пусконаладочных работ по размещению на объектах установки изделий «Октава-КП», «Октава-КР» и АКТС.
Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.
Основные положения, которые выносятся на защиту:
1. Электродинамическая модель и методика электродинамического анализа приземных проволочных антенн с учетом геометрической и электрофизической неоднородности местного грунта.
2. Методика синтеза перестраиваемых согласующих устройств.
3. Аддитивная модель перестраиваемых устройств антенно-фидерных трактов на сосредоточенных элементах.
4. Алгоритм автоматической настройки согласующих устройств.
Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались на VII Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи» (Владимир, 2007), V, VI и VII Международных научно-технических конференциях «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» (Самара, 2006; Казань, 2007; Самара, 2008), VII и IX Международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (Самара, 2006; Казань, 2008), XIII и XIV Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2007, 2008), XIII, XIV, XV и XVI Российских научно-технических конференциях ПГУТИ (Самара, 2006 - 2009), V Всероссийской научной конференции «Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России» (Орел, 2007).
По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 25 печатных трудов [240 - 264]. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 статьях в периодических научных изданиях, в том числе 3 статьи - в журналах, включенных в определенный ВАК «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук», и в 12 публикациях в форме текстов и тезисов докладов на международных и российских конференциях.
Разработка электродинамической модели и методики решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения с поверхностным интегралом
Как уже было отмечено выше, для получения интегрального уравнения в данной методике было использовано известное импедансное граничное условие Леонтовича-Щукина [133]: где Е, И - тангенциальные векторы напряженностей электрического и магнитного полей, соответственно; п0 - орт нормали к земной поверхности, ориентированный вверх; Zc — характеристическое сопротивление земли. Квадратными скобками в (1.1) обозначено векторное произведение; это же обозначение будет использоваться и в дальнейшем. Характеристическое сопротивление определяется известным соотношением [101]: где ц0 — магнитная постоянная (считаем, что земля является немагнитной средой, как это имеет место в подавляющем большинстве случаев [99, 177]); га — абсолютная диэлектрическая проницаемость земли; а - удельная проводимость земли; со - круговая частота; / — мнимая единица. Учтем, что ток локализован в достаточно тонком слое и в соответствии с теорией сильного поверхностного эффекта перейдем к эквивалентному поверхностному току с плотностью j [50]. Тогда, в силу известного граничного условия J = п0,Н , (1.1) можно переписать следующим образом: Как уже отмечалось в п. 1.1, электродинамическая модель и методика электродинамического анализа на основе интегрального уравнения с поверхностным интегралом предназначены для исследования антенн, обладающих полной круговой симметрией, т.е. вертикальных вибраторов, расположенных вблизи плоской земли, однородной по электрофизическим свойствам.
В связи с этим далее ограничимся рассмотрением только таких случаев. Учтем следующие особенности задачи, непосредственно следующие из симметрии объекта анализа: - тангенциальный вектор электрического поля на поверхности земли име ет только радиальную компоненту; - поверхностный ток, наведенный на поверхности земли, также будет иметь только радиальную компоненту; - азимутальные зависимости обеих указанных величин отсутствуют, т.е. они являются функциями только от г; - выполнение граничного условия на каком-то одном радиусе площадки S автоматически обеспечивает его выполнение в пределах всей площадки. Обозначим радиальные компоненты поля и тока Е и j, соответственно. Граничное условие при этом будем контролировать на радиусе, соответствующем нулевому азимуту. Этот радиус лежит на оси абсцисс, и в дальнейшем будем считать, что ток и поле зависят от абсциссы. С учетом всего этого импедансное граничное условие окончательно принимает вид: Входящее в (1.4) поле Е{Х), как уже отмечалось, является суммой стороннего поля Е(х) и поля рассеяния Е (х). Стороннее поле обусловлено током вибратора (пока считаем этот ток априорно известным). Поле рассеяния обусловлено искомым током в земле. При этом оно определяется интегральным оператором [56]. Соответствующую формулу запишем с учетом свойств симметрии в виде: где К - ядро интегрального оператора. Подстановка (1.5)в(1.4)с учетом того, что Е{х) = Е (Х)+ Е (Х) , приводит к равенству: которое содержит искомую функцию под знаком интеграла, т.е. представляет собой интегральное уравнение. Следует отметить, что ИУ (1.6) относится к классу уравнений Фредголь-ма второго рода, и, следовательно, соответствующая задача является корректной по Адамару [47, 50]. Будем решать полученное интегральное уравнение известным методом коллокации при кусочно-постоянной аппроксимации искомой функции. Разобьем радиус, на котором контролируется выполнение граничного условия (при нулевом азимуте) на N достаточно коротких отрезков. Средние точки отрезков будем считать точками коллокации, в которых потребуем выполнения граничного условия, т.е. строгого выполнения равенства в интегральном уравнении.
Разработка электродинамической модели и методики решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении. Обоснование эквивалентного радиуса проводника в сетке, имитирующей поверхность земли
Основная идея этой модели заключается в моделировании границы раздела земля-воздух проволочной сеткой - системой линейных проводников (проволок), обладающих потерями. Переход к системе линейных проводников позволяет использовать для формализации граничного условия на поверхности земли ИУ с линейным (одномерным) интегралом. В результате отпадает необходимость в численном интегрировании по направлениям, перпендикулярным току (на поверхности земли), и значительно уменьшаются вычислительные затраты, что весьма существенно в тех, довольно многочисленных, случаях, когда анализируемый объект не обладает свойствами симметрии.
Задачу можно сформулировать следующим образом. Сторонний источник в проволочной структуре антенны создает некоторое поле (его будем называть первичным), которое удовлетворяет уравнениям Максвелла, но не удовлетворяет граничным условиям на поверхности проводников антенны и проволок, моделирующих границу раздела. Под действием первичного поля в системе всех указанных проводников наводятся токи таким образом, что создаваемое ими поле (его будем называть вторичным полем) в сумме с первичным полем удовлетворяет упомянутому граничному условию. А поскольку вторичное поле есть поле излучения токов, оно удовлетворяет уравнениям Максвелла, значит, и суммарное поле будет им удовлетворять.
Электродинамическую модель будем строить как единую вычислительную конструкцию. Модель описывает систему проводников, часть из которых относится к антенне — часть к проволокам, имитирующим поверхность земли. Они отличаются только электрофизическими свойствами: первая группа проводников является идеально проводящей, вторая обладает потерями. Это дает возможность применить единообразный подход к описанию геометрии объекта и формализации граничных условий.
Итак, пусть имеем систему электрически тонких проводников. Введем криволинейный контур L, последовательно проходящий по осям всех проводников. Вдоль контура L будем отсчитывать координату /. При этом выберем такой порядок обхода, чтобы сначала обходились проводники антенны, затем — проволоки, имитирующие поверхность земли; соответственно этому разобьем общий контур L на два частных контура: первый L\ — проходит по осям проводников антенны, а второй L2 — по осям проволок.
Каждому значению / (каждой точке на Ь) поставим в соответствие следующие величины: радиус-вектор точки в базовой декартовой системе координат rL{l); орт /0, указывающий положительное направление тока; радиус проводника а; поверхностный импеданс ZQ . Тем самым определены функции /0 (/), «(/), Zc (/), описывающие электродинамические свойства объекта анализа. Аналогичным образом введем функцию стороннего поля E(l) (проекция на /0 вектора Е, обусловленного действием стороннего источника) и искомую функцию тока /(/).
Построение электродинамической модели данным способом иллюстрируется на рис. 1.4 (на примере Л-образного вибратора в качестве антенны, широко используемой в составе мобильных ДКМВ радиостанций).
Кроме того, для целей тестирования была разработана специальная тестовая модель применительно к системе, обладающей круговой симметрии (вертикальный вибратор вблизи плоской однородной земли). Схематично данная модель показана на рис. 1.5. Выбор такого объекта для тестового анализа обес-печивает возможность сопоставления результатов расчетов с результатами, полученными по методике, изложенной в п. 1.2.
В тестовой модели граница раздела моделируется системой радиальных проволок переменного радиуса (благодаря симметрии, при моделировании границы раздела можно учитывать только радиальные проволоки). Радиус проволок увеличивается по линейному закону с увеличением расстояния от вибратора; это позволяет учесть растекание тока по поверхности земли. Число радиальных проволок, моделирующих границу раздела сред, выбирается таким образом, чтобы была достигнута необходимая точность при относительно небольших вычислительных затратах.
Вернемся, однако, к общей модели на рис. 1.4. Рассмотрим систему проволок, имитирующих поверхность земли. На поверхности каждой из них должно выполняться импедансное граничное условие вида (1.1). Преобразуем равенство (1.1), учитывая особенности задачи.
Разработка процедуры формализации множеств согласуемых нагрузок и методики синтеза перестраиваемых согласующих устройств
Согласно п.2.1, задача синтеза УС заключается в определении параметров перестраиваемых элементов (пределы регулировки для плавно перестраиваемых УС, число разрядов и номиналы младших разрядов для коммутируемых УС), при которых в заданном диапазоне частот обеспечивается согласование нагрузок, собственный КБВ которых может изменяться от единицы до некото рой минимально допустимой величины Kmin. Последняя может задаваться как функция от частоты, но в большинстве случаев она представляет собой константу. Дополнительно определяются реактивные мощности в элементах (в том числе в элементах коммутации в коммутируемых УС). Фаза коэффициента отражения нагрузки не определяется, так как одно и то же УС должно быть рассчитано на работу с разными антеннами и, что наиболее существенно, с магистральными длинами разной длины.
Такая постановка задачи предполагает выполнение на каждой частоте следующего условия (будем называть его условием возможности согласования): любая нагрузка, находящаяся на диаграмме Вольперта-Смита в круге, соответствующем КБВ Кт-т может быть согласована с заданным допуском на рассогласование данной перестраиваемой согласующей цепью (т.е. для любой такой нагрузке должны найтись соответствующие положения перестраиваемых элементов). Предложенная автором методика основана, по сути, на параметрическом синтезе, предполагающем варьирование искомых параметров с проверкой условия возможности согласования на каждой частоте заданного диапазона (на конечном, естественно, множестве частот, взятых с некоторым малым шагом). Реализация такой проверки обеспечивается специально разработанной процедурой (алгоритмом) формализации множеств согласуемых нагрузок.
Допустим, задача согласования нагрузки с импедансом ZH решена. Следовательно, если измерить импеданс на входе согласующей цепи, нагруженной на ZH, то он окажется равным номинальному сопротивлению источника, в данном случаю - волновому сопротивлению W фидера передатчика, с которым осуществляется согласование. Согласно теореме об эквивалентном генераторе, если теперь измерить импеданс на выходе согласующей цепи в сторону источника, вместо которого ко входу цепи подключено сопротивление W, то он будет равен комплексно сопряженной величине импеданса нагрузки, т.е. ZH .
Таким образом, если при некотором состоянии УС (при некоторых положениях перестраиваемых элементов) импеданс, измеренный на его выходе при подключении ко входу сопротивления W, оказывается равным некоторой величине Z, то это устройство настроено на согласование нагрузки с импедансом ZH = Z . Перебирая все возможные состояния УС (с некоторым малым шагом для плавно перестраиваемых устройств), получим множество согласуемых нагрузок — множество нагрузок, которые данное устройство способно согласовать на данной частоте. Это множество на диаграмме Вольперта-Смита образует некоторую область, и если она охватывает круг, соответствующий Ктіп, то условие возможности согласования выполняется. Алгоритм формализации множеств согласуемых нагрузок основан на таком переборе состояний с последующей обработкой получаемых данных.
Рассмотрим Г-образную согласующую цепь - Г-контур (см. рис. 2.9, а), б) с возможностью инверсии (реверсирования) входа и выхода, т.е. с возможностью изменения ориентации свободного полюса продольного элемента к генератору или нагрузке. Как это обычно принято, продольный элемент характеризуется импедансом, поперечный - адмитансом, причем оба считаются реактивными. Согласующая цепь может быть построена по типу ФНЧ с включением индуктивного элемента в продольной ветви, емкостного - в поперечной или фильтра верхних частот (ФВЧ), когда индуктивный и емкостной элементы меняются местами [94]. Импедансы согласуемых нагрузок определяются следующими выражениями (для случаев ориентации свободного полюса продольного элемента к генератору и нагрузке, соответственно): в данном случае уже будет NBlNxlNB2 состояний согласующей цепи (произведение числа положений 1-го поперечного элемента, продольного элемента и 2-го поперечного элемента, соответственно).
Рассмотренная процедура обеспечивает построение конечного множества точек на диаграмме Вольперта-Смита. Это позволяет оценивать возможности УС по согласованию вручную - на основе визуализации соответствующей области с привлечением эвристических соображений. Однако компьютеризация такого оценивания принципиально невозможна. Дело в том, что сопоставление некоторому состоянию УС точки означает требование полного согласования (с КБВ, равным единице). Между точками всегда будут иметь место «пустоты» -области нагрузок, которые, формально говоря, не могут быть согласованы с выполнением указанного требования.
Для преодоления данной трудности автором предложено формировать область согласуемых нагрузок с некоторым допуском на рассогласование. С одной стороны, это вполне соответствует реальному положению вещей, так как технические требования всегда предусматривают такие допуски (да и вообще согласование с КБВ, равным единице, физически нереально); с другой стороны, при таком подходе каждому состоянию цепи будет соответствовать уже не точка, а некоторая «сплошная» область, т.е. бесконечное множество точек. Совокупность таких областей (при всех возможных состояниях цепи) образует бесконечное множество точек, представляемое на диаграмме Вольперта-Смита «сплошной» областью. Это позволяет уже компьютерными методами определять внешнюю границу области согласуемых нагрузок и проверять, является ли она односвязной, отсутствуют ли внутренние границы, охватывающие «пробелы», образованные импедансами, согласовать которые невозможно.
Разработка аддитивной модели согласующего или фазирующего устройства, учитывающей взаимное влияние элементов и обеспечивающей функциональную зависимость фактических импедансов элементов схемы от команд управления
В настоящем подразделе рассматриваются вопросы построения предложенной автором уточненной аддитивной модели устройства согласования или устройства фазирования, которая обеспечивает реализацию возможностей алгоритмов автоматической настройки. Данные алгоритмы оперируют идеализированными схемами на сосредоточенных элементах. Реальные устройства таковым не являются, так как весьма заметно проявляется квазисосредоточенный характер элементов и, возможно, их взаимное влияние по полю. В результате, как показывает практика, нормальная работа систем автоматической настройки нарушается.
Известно, например, что включенная в продольной ветви П-контура катушка индуктивности фактически сама является П-контуром, причем ее емкости аддитивно добавляются к емкостям конденсаторов, изменяя тем самым фактические емкости в схеме. Это означает, что, перестраивая катушку (точнее, вариометр), мы одновременно будем перестраивать и конденсаторы, т.е. настройка вариометра влияет на настройки конденсаторов, причем это влияние имеет аддитивный характер. Практика показывает, что аналогичное, хотя и менее заметное, влияние оказывают и конденсаторы на вариометр.
Таким образом, независимыми переменными, на которые должен воздействовать алгоритм автоматической настройки, являются не номиналы элементов, а положения их приводных валов (или органов регулировки иного типа). Сами же номиналы, строго говоря, зависят от положений не только «своих» приводных валов, но и от остальных. Поскольку влияние вариометра на конденсаторы, как только что было показано, имеет аддитивный характер, автором было сделано предположение, что вообще все влияния с достаточной точностью можно рассматривать как аддитивные (отсюда - название модели). Данное предположение позволило существенно сократить число измерений при построении уточненной модели.
Итак, рассмотрим схему УС (или УФ) в виде перестраиваемого П-контура, схема которого показана на рис. 3.6, а) (полученные результаты несложно обобщить на другие виды согласующих цепей - Т-контуры и Г-контуры, поэтому специально их рассматривать не будем). Поперечные элементы П-контура имеют адмитансы Y\ и Y3, а продольный элемент имеет импеданс Z2. Положения приводов перестраиваемых элементов, которые рассматриваются в качестве независимых переменных, обозначим хь х2, хз (нижние индексы соответствуют номерам элементов П-контура).
У идеальных сосредоточенных перестраиваемых элементов однозначно можно выделить две основные составляющие: остаточную, независимую от положения органа регулировки, и переменную, зависимую по какому-либо закону от положения данного органа. В случае взаимного влияния элементов устройства нужно еще учесть дополнительные составляющие, учитывающие эти влияния.
В соответствии с вышеизложенным, можно записать систему уравнений относительно независимых переменных хк (к определению которых и сводится задача автоматической настройки) для цепи на рис. 3.6, а): где верхние индексы «(0)» обозначают остаточные составляющие, символы « » - переменные. Заметим, что последние являются функциями от всех трех независимых переменных; тем самым в математической форме учтены все взаимные влияния между элементами.
Осуществление автоматической настройки по измеренным значениям импеданса нагрузки требует знания всех констант и функций в правых частях (3.1). Разумеется, это можно сделать экспериментально (автоматизация уже существующего устройства) с последующим сохранением констант и табулированных функций в памяти управляющей ЭВМ, которая, собственно, и предназначена для организации автоматической настройки. Однако табулирование непосредственно функций 7j, Z2, Y3 встречает серьезные трудности, обусловленные огромным количеством измерений. Так, если при табулировании взято щ значений каждой независимой переменной хк, то только на одной частоте потребуется п — пхп2пъ измерений.
Однако в силу сделанного предположения вид функций У, Z2, Y3 можно конкретизировать - представить в виде аддитивных форм с разделением переменных, что позволяет многократно сократить число измерений. Такой подход означает, что изменение некоторой независимой переменной хк при любых фиксированных значениях остальных двух переменных приводит к аддитивным добавкам к номиналам всех элементов эквивалентной схемы. На рис. 3.6, б) изображена эквивалентная схема П-контура, построенная с учетом сделанного предположения об аддитивном характере взаимного влияния элементов. Нижний индекс обозначает номер элемента, на который происходит влияние, а верхний индекс означает номер влияющего элемента. Нулевым номером обозначается остаточные значения элемента.
