Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ комплексов излучающих технических средств телекоммуникаций 17
1.1. Общая характеристика излучающих технических средств телекоммуникаций 17
1.2. Общая характеристика излучающих комплексов телекоммуникаций 27
1.3. Управляемые параметры электромагнитной безопасности комплексов технических средств при их проектировании 34
1.4. Критерии оценки электромагнитной обстановки комплексов технических средств 42
1.5. Проектирование топологии излучающего объекта как оптимизационная задача 45
1.6. Выводы 53
2. Автоматизированное проектирование комплексов излучающих технических средств 55
2.1. Программные комплексы электродинамического моделирования и их сравнение 55
2.2. Разработка алгоритма эвристического проектирования топологии комплексов технических средств 63
2.3. Концепция создания программных средств проектирования комплексов излучающих технических средств телекоммуникаций 69
2.4. Общая структура ПК АЭМО 72
2.5. Выводы 76
3. Разработка фрагментов методик расчета электромагнитной обстановки вблизи антенн различных диапазонов
3.1. Численное моделирование электромагнитных полей антенн ОВЧ и УВЧ диапазонов, расположенных над поверхностью конечных размеров 79
3.2. Область поверхности, существенно влияющая на распределение тока по антенне 84
3.3. Разработка методики расчета полей в области заднего полупространства апертурных антенн 90
3.4. Выводы 99
4. Разработка программного обеспечения для проектирования комплексов излучающих технических средств 100
4.1. Разработка информационного обеспечения ПК АЭМО 100
4.1.1. Общее описание баз данных 100
4.1.2. Разработка навигационных средств и содержательной части базы данных одиночных антенн 102
4.1.3. Разработка навигационных средств базы данных комплексов технических средств 108
4.2. Разработка структуры сервисной оболочки и автономных режимов 112
4.2.1. Структура сервисной оболочки (интерфейса пользователя) 112
4.2.2. Автономные режимы ПК АЭМО 113
4.3. Разработка основных режимов анализа электромагнитной обстановки в ПК АЭМО 117
4.3.1. Описание возможностей основного режима работы ПК АЭМО 117
4.3.2. Разработка режимов и оконных форм моделирования комплекса технических средств и доступа к базам данных 119
4.3.3. Разработка режимов расчета и оконных форм доступа к математическому обеспечению ПК АЭМО 123
4.3.4. Обеспечение визуализации анализа электромагнитной обстановки 126
4.4. Реализация ПК АЭМО 129
4.4.1. Общая характеристика применяемых инструментальных средств и технологий 129
4.4.2. Реализация математического обеспечения ПК АЭМО 137
4.4.3. Разработка информационного обеспечения ПК АЭМО 139
4.4.4. Разработка графической подсистемы
4.5. Назначение и возможности ПК АЭМО 146
4.6. Выводы 148
5. Примеры проектирования и внедрение результатов исследований 149
5.1. Пример использования ПК АЭМО для анализа электромагнитной обстановки проектируемого объекта телекоммуникаций 149
5.2. Внедрение результатов исследований в региональные
телекоммуникационные системы и компьютерные сети 154
5.3. Выводы 161
Заключение 162
Список использованных источников
- Управляемые параметры электромагнитной безопасности комплексов технических средств при их проектировании
- Концепция создания программных средств проектирования комплексов излучающих технических средств телекоммуникаций
- Область поверхности, существенно влияющая на распределение тока по антенне
- Разработка навигационных средств и содержательной части базы данных одиночных антенн
Управляемые параметры электромагнитной безопасности комплексов технических средств при их проектировании
Рассмотрим и классифицируем технические средства телекоммуникационных систем по некоторым признакам, существенным для решения вопросов обеспечения электромагнитной безопасности при проектировании и размещении излучающих объектов, на основе подходов, изложенных в [89,95,96].
Одним из основных признаков комплекса технических средств является рабочий диапазон частот. Как правило, технические средства телекоммуникаций группируются в комплексы по признаку, связанному с условиями распространения радиоволн, которые, в свою очередь, зависят от диапазона частот.
Технических средства НЧ и СЧ диапазонов. Основное назначение технических средств этих диапазонов - радиовещание. Для диапазонов НЧ и СЧ характерен механизм распространения в виде поверхностных волн, то есть радиоволн, распространяющихся вдоль поверхности земли. Для обеспечения этого выбирается вертикальная относительно земли поляризация поля и используются передатчики очень большой мощности - до 2000 кВт (передатчики «Прилив-2Д» и «Прилив-2М»).
Передающие антенны НЧ и СЧ диапазонов представляют собой весьма громоздкие вертикальные структуры на основе мачт, башен или проводов. Самыми распространенными антеннами являются различные модификации антенн-мачт, которые в горизонтальной плоскости имеют круговую характеристику направленности: АМНП - антенна-мачта нижнего питания, АМВП -антенна-мачта верхнего питания, АМШП - антенна-мачта шунтового питания, АРРТ - антенна с регулируемым распределнием тока. Одиночные антенны-мачты - это вертикальные несимметричные вибраторы с высотой 100...270 м. Все они отличаются друг от друга схемой системы питания, которая позволяет решать различные задачи: упростить конструкцию (АМВП), улучшить согласование антенны с передатчиком (АМШП), получить необходимые направленные характеристики в вертикальной плоскости (АРРТ).
В этих диапазонах используются, но весьма ограниченно, слабонаправленные антенны типа антенн-мачт с рефлектором, антенные системы СВ 2+2, СВ 4+4.
В вертикальной плоскости для всех антенн обеспечивается сравнительно узкая характеристика направленности, максимально прижатая к земле (рис. 1.1). Для обеспечения такого режима работы земную поверхность вблизи антенн НЧ и СЧ диапазонов радиально металлизируют - устраивается высокочастотное заземление.
Сочетание специфики распространения радиоволн НЧ и СЧ диапазонов с очень большими излучаемыми мощностями и концентрацией излучения электромагнитной энергии вдоль поверхности земли характеризуют технические средства этих диапазонов весьма опасными с точки зрения электромагнитного фактора. Технические средства ВЧ диапазона. Основным видом распространения радиоволн ВЧ диапазона является распространение путем отражения от ионосферы (ионосферная волна). Земная волна сильно поглощается в полупроводящей почве: уже на расстоянии нескольких десятков километров от источника излучения ее энергия становится недостаточной для приема передаваемых сообщений с приемлемым качеством.
Использование ионосферного рассеяния в качестве механизма распространения радиоволн приводит к необходимости выделения для каждой радиолинии ВЧ диапазона, как правило, нескольких фиксированных радиочастот. На каждый месяц составляется волновое расписание, которое регламентирует, на каких из выделенных радиочастот следует работать в различные часы суток. Число переходов с одной частоты на другую (перестроек) для каждого передатчика может достигать 5... 10 в сутки. Переход на новую рабочую частоту, как правило, сопровождается заменой антенн. Поэтому каждый передатчик должен иметь возможность работать на одну из нескольких антенн. Для каждой радиолинии составляется волновое расписание, в котором указываются необходимые данные для перехода с одной частоты на другую. Знание волнового расписания - непременное условие для проведения электромагнитной экспертизы передающих радиоцентров ВЧ диапазона.
Основные требования, предъявляемые к передающим антеннам технических средств ВЧ диапазона, сводятся к следующему [12]:
1. Антенны должны либо иметь возможность изменять направление главного излучения в вертикальной плоскости, либо иметь достаточно широкую (не уже 10) диаграмму направленности в вертикальной плоскости. Необходимость выполнения этого требования объясняется тем, что зоны оптимальных углов излучения и приема А в вертикальной плоскости зависят от протяженности трассы и высоты отражающего ионизированного слоя. На трассах протяженностью 2000 - 4000 км оптимальные углы А = 3 - 21, а на трассах свыше 4000 км - А = 3 - 12. Типичная характеристика направленности антенн ВЧ диапазона приведена на рис. 1.2.
В горизонтальной плоскости антенны ВЧ диапазона имеют ярко выраженную направленность излучения, за исключением антенн зенитного излучения, имеющих близкую к круговой характеристику направленности. 2. Поляризация излучаемых радиоволн при работе ионосферной волной должна быть, как правило, горизонтальной. Это вызвано тем, что антенны с вертикальной поляризацией требуют металлизации земли вблизи антенны, их диаграммы направленности существенно зависят от параметров почвы, значительная доля энергии, излучаемая вдоль поверхности земли, поглощается почвой. 3. Диаграммы направленности должны иметь малый уровень боковых лепестков. Это способствует уменьшению помех, создаваемых другим радиостанций ВЧ диапазона. 4. Антенны должны быть диапазонными. Данное требование объясняется естественным стремлением уменьшить общее число антенн на радиоцентре.
Концепция создания программных средств проектирования комплексов излучающих технических средств телекоммуникаций
В основу NEC легли электродинамические методы анализа произвольных структур прямолинейных цилиндрических проводников, с использованием подхода тонкопроволочного приближения. Тонкопроволочное приближение - система допущений, которые существенно упрощают задачу и могут быть введены в тех случаях, когда исследуемая структура состоит из линейных проводников с весьма малыми поперечными размерами. При таком приближении удается в скалярной форме представить как области определения, так и области значений искомой и заданной функций, т.е. от векторных функций векторного переменного перейти к скалярным функциям одного действительного переменного.
Кроме этого в NEC реализована возможность учета наличия подстилающей поверхности с различными электрофизическими параметрами, которая моделируется либо методом зеркального изображения, либо методом Зоммерфельда-Нортона. В последнем случае учитывается влияние подстилающей поверхности на распределение токов в проводниках проволочной модели. Так же имеется возможность дополнять модель полупроводящими элементами конечных размеров, наличие которых учитывается методом геометрической теории дифракции (ГТД), причем в вычислении поля рассеяния участвуют вторичные отраженные, дифрагированные и дифрагированные отраженные лучи.
Наибольшей трудностью для пользователя, при работе с исходной версией NEC (Fortran-90 для MS DOS) является создание текстового файла, содержащего описание проволочной модели. В этом файле с помощью специального входного языка NEC-2 описывается пространственное расположение проволочных сегментов и питающих источников, а также описывается окружение антенны (идеальная земля, земля с потерями) и перечисляются характеристики антенны, подлежащие расчету. В связи с этими трудностями использования пакета, на рынке появились несколько коммерческих пакетов (EZNEC, NEC4WTN, MMANA, SuperNec и т.д.), содержащих в себе средства интерактивного создания проволочной модели и автоматической генерации входного файла описания на языке NEC, а также средства визуализации информации, содержащейся в выходном файле NEC.
Упомянутые коммерческие продукты, построенные на основе технологии NEC, могут содержать как все перечисленные возможности исходной версии, так и только некоторые из них, что обуславливает функциональные возможности пакета и, в конечном счете, стоимость. Так, например, MMANA позволяет производить расчет характеристик направленности проволочных антенн, подстилающие поверхности учитывает только методом зеркального изображения, не содержит ГТД-элементов, не позволяет рассчитывать ближние поля. NEC4WIN - проводит расчет ближних полей, не позволяет их визуализировать, то есть для графической обработки результатов расчета ближнего поля необходимо привлечение сторонних графических пакетов. Наибольшими возможностями обладает программный пакет Super-NEC (версии 1.5 - 1.52). Этот продукт содержит интерактивный графический препроцессор, генерирующий текстовый файл на входном языке NEC, постпроцессор, позволяющий визуализировать все характеристики излучения проволочных моделей, в том числе и в виде объемных распределений в пространстве (с использованием графики OpenGL), и собственно солвер, представляющий собой исполняемое консольное приложение Windows (созданный современным 32-разрядным компилятором .ехе - файл из исходного кода NEC-2). Графические возможности постпроцессора позволяют строить и линии равного уровня электрического поля (санитарные зоны). Недостатком SuperNEC, ограничивающим возможности его применения для целей расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки, является невозможность моделирования комплексов технических средств, работающих на различных частотах. Расчет для комплекса технических средств возможен лишь путем последовательного моделирования каждого средства в отдельности, с сохранением результатов в выходных текстовых файлах, с последующей графической обработкой отдельным графическим пакетом, что существенно увеличивает затраты времени и представляет собой довольно трудоемкую процедуру для неспециалиста. Кроме того, довольно затруднительно моделирование при помощи данного пакета апертурных антенн.
В пользу необходимости разработки отечественного программного комплекса говорит еще то, что зарубежные пакеты электродинамического моделирования чрезвычайно дороги (например, HP HFSS - $50.000, Super-NEC - $8.000 и т.д.) и практически недоступны для российского потребителя (коме демонстрационных версий в Internet).
В табл.2.1. сведены сравнительные характеристики программных продуктов, рассмотренных выше.
Приведенный обзор свидетельствует, что на современном рынке программного обеспечения отсутствуют программные продукты обеспечивающие многофакторное проектирование топологии излучающих комплексов с учетом множества разнотипных ограничений (геометрических, электромагнитных, волновых и селитебных).
Область поверхности, существенно влияющая на распределение тока по антенне
Если для каждой функции Ъкимеет смысл выражение L(bk), то представление (3.15) можно подставить в (3.14). Учитывая N первых членов ряда Фурье для функции в левой части (3.13) с коэффициентами (3.14), можно получить систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ): YJ(L(bk),bi)Ik=-(E,bl),i = l,2,...N, (3.16) к=\ решением которой находятся коэффициенты 1к, которые совместно с функциями аппроксимируют с той или иной точностью истинную токовую функцию /.
Таким образом, интегральное уравнение сведено к алгебраической задаче. Система (3.14) - есть условие ортогональности невязки L(IN)функциям Ък, образующим базис bx, b2,...bN, что можно интерпретировать как требование равенства нулю проекций невязки на координатные оси N - мерного пространства.
Функции Ък называют базисными, образующими базис Галеркина. Коэффициенты СЛАУ {L{bk), bj) имеют размерность В/А, поэтому образованную из них квадратную матрицу называют матрицей импедансов. СЛАУ (3.16) называют проекционной моделью.
Рассматриваемая модель, представляет собой сочетание симметричного вибратора и подстилающей поверхности, которая в рамках метода выбирается идеально проводящей и аппроксимируется проволочной сеткой. При этом возникает две степени приближения к реальной конструкции: во-первых, сплошная поверхность заменяется сеткой; во-вторых, распределение тока по проводам определяется приближенно, в виде разложения по кусочно-синусоидальному базису.
Таким образом, возникает необходимость определения достаточной густоты сетки и достаточного числа сегментов (базисных и весовых функций) с точки зрения сходимости решения. Кроме того, необходимо определить способ наложения граничного условия - вид весовых функций: либо кусочно-синусоидальные, либо дельта-функции Дирака, либо сочетание функций обоих типов [31].
В самом общем случае моделирование некоторой сплошной поверхности S проволочной сеткой представляет собой построение на S ортогональной криволинейной системы координат - двумерной области определения поверхностной плотности тока J(s) и тангенциального поля Ё(1) как функций двумерного радиус вектора s = slzl + S2T2 ТОЧКИ на S (рис. 3.6.). Здесь и s2-координаты, Г]и т2- орты координатных осей. При этом: J(s) = Jl(sl,s2)l +J2(S1,S2)2, (3.17) E(s) = E](sl,s2)-fl +E2(SUS2)2. (3.18) Переход к тонкопроволочной аппроксимации подразумевает построение системы тонких проводов, так чтобы их оси совпадали с координатными линиями: s2 =0, d, 2d, 3d,... (провода, ориентированные по s}) и
s} = 0, d, 2d, 3d, ... (провода, ориентированные по s2). Здесь d- шаг (дискрет) сетки. Построим контур L таким образом, чтобы переменная / пробегала бы сначала все провода, ориентированные по sl, а затем все провода, ориентированные по s2. Аналогичным образом построим контур L. При этом некоторой точке s =idx +kd-r2, будут соответствовать на г некоторые значения / и то есть пара взаимно перпендикулярно ориентированных в пространстве токов 7(/,( ) и 1(г ) приближенно определяют искомую функцию J(s ), причем приближенное равенство в (3.19) будет тем точнее, чем меньше шаг сетки.
Пусть граничное условие выполнено в дискретных точках на S (например, в узлах координатной сетки). Тогда, если имеет место сходимость решения, это будет означать приближенное выполнение граничного условия на всей поверхности S, причем точность этого приближения будет тем выше, чем меньше шаг сетки d.
Проверка сходимости решения может быть проведена несколькими способами. Одним из наиболее распространенных методов оценки сходимости является расчет значения входного сопротивления как отношения входного напряжения к значению тока в точке питания. При увеличении числа сегментов это значение должно стремиться к истинному входному сопротивлению исследуемой антенны. Однако в данной задаче входное сопротивление не является исследуемым параметром. Вопрос стоит об исследовании излучающих свойств проволочных антенн при уточнении описывающих их электродинамических моделей. Поэтому был предложен более адекватный критерий оценки сходимости, основанный на использовании распространенного в антенной литературе понятия площади тока.
Если требуется решить задачу о нахождении реального распределения тока по антенне с учетом влияния идеально проводящей земной поверхности или если антенна расположена над проводящей площадкой, размеры которой существенно превышают размеры антенны, то решение такой задачи становится очень ресурсоемким процессом. В основном эта ресурсоемкость объясняется необходимостью задания большого числа сегментов на проводящей плоскости, и, как следствие, возрастания порядка СЛАУ. Однако эта ресурсоемкость может быть значительно снижена, если использовать для решения задачи следующий подход. Из физических особенностей таких систем следует, что существует сравнительно небольшая, ограниченная область подстилающей поверхности, которая существенно влияет на распределение тока по вибраторной антенне. Поэтому для определения распределения тока по вибратору, расположенному над идеально проводящей плоскостью, можно учитывать влияние лишь некоторой ее части, естественно, задавая при этом погрешность какого-то параметра. В разделе 1 в качестве такого параметра была выбрана площадь тока на вибраторе.
На рис.3.7 и 3.8 представлены расчетные зависимости относительной погрешности площади тока от абсолютных размеров подстилающей поверхности для полуволнового вибратора, расположенного на высоте h/X = 0,5.
Представленные зависимости позволяют определить границы зоны подстилающей поверхности, существенно влияющей на распределение тока по линейному симметричному вибратору, с заданной погрешностью. Это приводит к значительной экономии времени и машинных ресурсов при уточнении распределения тока по исследуемой антенне, расположенной над поверхностью земли или над идеально проводящей плоскостью, обладающей большой протяженностью.
Разработка навигационных средств и содержательной части базы данных одиночных антенн
Особенностью работы с этой базой данных является возможность динамической визуализации диаграмм направленности выбранной антенны. При этом предусмотрен режим «Интерполяция», который обеспечивает ускоренное введение сравнительно гладких диаграмм направленности. Интерполяция осуществляется установкой флажков опорных уровней в левой части таблиц со значениями диаграммы направленности и запуском процесса интерполяции кнопкой «Интерполяция», расположенной под редактируемой таблицей с диаграммой направленности. При этом пропущенные значения диаграммы направленности заполняются интерполированными. Так, например, если антенна в одной из плоскостей имеет круговую диаграмму направленности, то достаточно ввести всего два ее значения в первой и последней ячейках таблицы. Если диаграмма направленности антенны сравнительно неравномерна, то для более точной аппроксимации необходимо задавать большее число опорных уровней.
Важное свойство программных комплексов, аналогичных рассматриваемому, это возможность сопряжения их с современными отечественными и зарубежными программными продуктами. В части информационных ресурсов была предусмотрена возможность использования в ПК АЭМО в качестве исходных данных файлы с числовыми данными диаграмм направленности антенн различных фирм-разработчиков, и, в частности, поставляемых широко известной на Российском рынке телекоммуникационной техники фирмой «Kathrein». Для этого разработан конвертор файлов и в окне просмотра и редактирования параметров антенн предусмотрен режим ввода файлов диаграмм направленности с различными параметрами и конфигурацией. Вход в этот режим осуществляется кнопками «Внешний (Kathrein)» или «Внутренний».
Сохранение введенных параметров нового технического средства осуществляется кнопкой «Применить» в нижней части данной формы. Автоматически в базе данных одиночных антенн по диаграммам направленности добавится новая запись. В пустом поле «Справочные данные» напротив введенной антенны предоставляется возможность ввести любую справочную информацию, касающуюся фирмы-производителя, номера сертификата и тому подобное длиной не более 255 символов.
В БДОА по диаграммам направленности обеспечивается возможность поиска нужного технического средства по элементам поля «Тип технического средства». Для этого в текстовом поле «Поиск» задается комбинация символов, по которой будет производиться поиск, осуществляемый нажатием кнопки «Поиск». Результат поиска отобразится на экране выделением найденного технического средства. Перемещение в диапазоне найденных технических средств осуществляется кнопками « » и « ».
Работа с базой данных комплексов технических средств может осуществляться двумя путями: через меню «Опции» с последующим выбором пункта «Новый проект» и заполнением текстовых полей «Название передающего центра» и «Место расположения»; при этом поле «Дата последнего редактирования» заполняется автоматически; через меню «База данных» с выбором пункта «База данных КС» после чего отображается полный список созданных ранее проектов, и после заполнения соответствующих полей кнопкой «Добавить» в БДКС появляется созданный проект.
Любой существующий в БДКС проект (передающий комплекс) можно загрузить в ПК АЭМО. При этом возможны два способа загрузки.
Во-первых, через меню «Опции» с выбором пункта «Открыть проект»: - на экране дисплея появляется форма, на которой присутствуют не редактируемое текстовое поле «Наименование передающего объекта» и элемент комбинированного списка, который содержит в себе названия всех имеющихся в распоряжении проектов; - выбор проекта осуществляется нажатием кнопки со стрелкой справа на элементе комбинированного списка и перемещения по его полям; - выбор требуемого проекта в комбинируемом списке сопровождается отображением названия данного проекта в не редактируемом текстовом поле на данной форме; - просмотр состава технических средств, входящих в этот комплекс, редактирование параметров любого технического средства и тому подобное осуществляется нажатием на данной форме кнопки «Открыть», после чего на экране появляется окно выбранного передающего комплекса.
Во-вторых, это можно делать через меню «База данных» с выбором пункта «База данных КС». В открытом окне «База данных КС» перемещением по строкам табличной структуры выбирается и открывается нужный передающий комплекс.
Как уже отмечалось выше, БДКС предназначена для хранения информации по каждому из существующих комплексов, включая технические и электрические параметры технических средств, входящих в состав комплекса. Внешний вид окна БДКС представлен на рис.4.5.
Для сервисного обслуживания разработаны режимы копирования, изменения и удаления записей из БДКС.
Возможность копирования существующей записи БДКС в новую позволяет пользователю сделать копию выбранного передающего комплекса с сохранением всех введенных в него технических средств и их параметров. Для этого пользователю необходимо выбрать проект, подлежащий копированию (запись в базе данных) и нажать кнопку «Копировать».
