Исследования и разработка методик анализа, синтеза и проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона

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 малогабаритности 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 требованиям, 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, E.JI. 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 С. И. Эминова, В. А. Яцкевича и других ученых [141, 162, 200, 201, 204]. К этому направлению следует отнести и развитый в трудах JI.C. 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 используI 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, A.JI. 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, обеспечивающая 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 методамивлияние 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, 110] 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-, Пили Г-типа на сосредоточенных элементах [135]. При этом в качестве переменных емкостных элементов в большинстве случаев используются переменные вакуумные конденсаторы, в качестве переменных индуктивностей — 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 радиокомплексами [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]. Мощность их — 0,6 и 1 кВт. Согласующая цепь — П-звено, элементы которого составляются из дискретных переключаемых вакуумными реле наборов индуктивностей и емкостей, причем Lk = 2k~lL0, Ск = 2к~1С0, где Lq и Со, 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 математической 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 квазираспределенный 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.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в научных труда автора [240 — 264].

Таким образом, в рамках настоящего диссертационного исследования решена проблема создания методик анализа, синтеза и проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона. Выполнены разработка, экспериментальная проверка и реализация методики электродинамического анализа приземных антенн с учетом неоднородности земной поверхности под антенной, отвечающей современным требованиям методики синтеза согласующих устройств, адекватных моделей согласующих и фазирующих устройств, алгоритмов автоматической настройки согласующих устройств по фа-зочувствительным и амплитудным датчикам КБВ с минимизацией реактивной мощности. Задачи диссертационного исследования успешно решены, поставленная цель достигнута в полном объеме.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках диссертационной работы получены следующие научные и научно-прикладные результаты.

Разработаны электродинамические модели и методики анализа излучающих структур приземных антенн ДКМВ диапазона.

Проведен краткий анализ основных проблем, возникающих при решении электродинамических задач для приземных антенн. Обосновано использование интегральных уравнений для учета влияния земли. С учетом специфических особенностей различных типов антенн дана классификация задач электродинамического анализапри этом выделены три класса — задачи отыскания распределений тока и расчета импедансных характеристик для антенн с полной круговой симметрией, аналогичные задачи для антенн, не обладающих такой симметрии, задачи определения характеристик направленности.

Разработаны электродинамическая модель и методика решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения с поверхностным интегралом. Обосновано применение данной методики для антенн, обладающих полной круговой симметрией и размещаемых вблизи плоской однородной земной поверхности.

Разработаны электродинамическая модель и методика решения задачи анализа приземной антенны с учетом влияния земли методом интегрального уравнения в тонкопроволочном приближении. Обоснован подход к определению эквивалентного радиуса проводника в сетке, имитирующей поверхность земли, проведены соответствующие исследования. Обосновано применение данной методики в тех случаях, когда антенна не обладает полной круговой симметрией, и когда земная поверхность не является однородной по геометрическим и (или) электрофизическим свойствам.

Выполнено тестирование разработанных методик электродинамического анализа, результаты которого подтверждают адекватность предложенных моделей и, соответственно, работоспособность и эффективность разработанных методик.

Разработаны методики синтеза устройств фидерного тракта.

Дана общая формулировка задачи, и проведена классификация устройств фидерного тракта.

Проведены исследования по проблеме согласования приземных антенн в условиях нестабильности электрофизических свойств местного грунта. Представлены результаты соответствующих расчетов. На этой основе в качестве наиболее эффективной меры решения проблемы обосновано широкое внедрение автоматизированной подстройки устройств согласования. Кроме того, применительно к выдвигаемым антеннам шахтного типа признано целесообразным использование регулировки длины вибратора с использованием имеющихся приводных механизмов и систем управления.

Разработаны процедура формализации множеств согласуемых нагрузок и основанная на ней методика синтеза перестраиваемых согласующих устройств. Методика обеспечивает определение по заданному минимально допустимому естественному КБВ нагрузки пределов регулировки элементов плавно перестраиваемых устройств, числа разрядов и номиналов младших разрядов коммутируемых устройств. В обоих случаях предусматривается определение реактивных мощностей, на которые должны быть рассчитаны элементы.

Выполнено исследование согласующих и фильтрующих свойств устройств согласования, выполненных на основе различных схем. Получены оценки областей применения устройств на основе Г-контуров и П-контуров. Показано, что вследствие квазисосредоточенного характера индуктивных элементов фильтрующие свойства устройств согласования ухудшаются относительно идеализированных схем на сосредоточенных элементах. Установлено, что фильтрация высокочастотных побочных излучений наиболее эффективна при настройке устройства на нагрузку с более низким КБВ.

Разработана методика синтеза перестраиваемых и неперестраиваемых широкополосных фазирующих устройств. Для неперестраиваемых устройств предложена схема на основе двух фазосдвигающих контуров, каждый из которых выполнен по мостовой схеме, в сочетании с отрезком согласованной линии (в том числе, искусственной). Для перестраиваемых устройств предложены схемы в виде П-контуров и Т-контуров.

Выполнена разработка общей методики проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона, а также разработка алгоритмов автоматической настройки согласующих и фазирующих устройств.

Проведена классификация автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона. Дан ряд рекомендаций по выбору вариантов структуры, типов устройства и его составных частей.

Выполнена разработка общей методики проектирования автоматизированных антенно-фидерных устройств, включающей в себя методики электродинамического анализа излучающих структур приземных антенн и методики синтеза устройств фидерного тракта. Построен соответствующий алгоритм проектирования.

Предложена новая аддитивная модель согласующего или фазирующего устройства, учитывающая взаимное влияние элементов из-за их квазисосредоточенного характера и обеспечивающая функциональную зависимость фактических импедансов элементов схемы от команд управления. Модель основана на предположении, что взаимное влияние элементов имеет аддитивный характер. Это означает, что изменение значения одного из элементов схемы при любых фиксированных значениях остальных двух приводит к аддитивным добавкам к номиналам всех элементов эквивалентной схемы. Получена соответствующая система уравнений, позволяющая по заданным номиналам элементов схемы определять положения органов управления.

Разработаны алгоритмы автоматической настройки согласующих и фазирующих устройств, основанные на использовании аддитивной модели. Алгоритмы настройки согласующих устройств — двухэтапные, включающие этап основной настройки и этап «тонкой» подстройки (покоординатный спуск). Применительно к первым этапам разработан алгоритм настройки по показаниям выходного фазочувствительного датчика КБВ (для П-контуров здесь реализована процедура минимизации реактивных мощностей) и оригинальный алгоритм настройки по показаниям только входного амплитудного датчика КБВ (здесь реализован косвенный способ извлечения информации о согласуемой нагрузке с помощью элементов самого устройства).

Выполнена разработка расчетно-экспериментальной методики определения входных импедансов антенн путем их измерений через недоступные фидеры неопределенной длины (или длин фидеров) с последующим спектральным анализом. Как показали исследования, при наличии данных о входных характеристиках в широкой полосе (порядка сотен мегагерц) для ДКМВ антенн, используя предложенный подход, можно достоверно определить длину фидера и, соответственно, входной импеданс антенны.

Предложен способ автоматизации процессов измерения регулировочных характеристик согласующих и фазирующих устройств в рамках пуско-наладочных работ. Обобщенное тело цикла алгоритма автоматизированных измерений выглядит следующим образом: измерение необходимых параметров антенн в нужной полосе частотзапись результатов измерений на компьютеризменение состояния устройства с целью последующих измерений. Для проведения измерений антенно-фидерных устройств применялся измеритель комплексных коэффициентов передачи «Обзор — 103».

Выполнены экспериментальные исследования и практическая реализация автоматизированных антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона.

Выполнены экспериментальные исследования и практическая реализация турникетного приземного излучателя и широкополосного неперестраиваемого фазовращателя из состава антенно-фидерного устройства зенитного излучения. Излучатель выполнен из двух взаимно перпендикулярных горизонтальных вибраторов в проволочном исполнении, расположенных над земной поверхностью. Широкополосный фазовращатель выполнен на основе двух фазосдвигающих контуров, каждый из которых представляет собой мостовую схему на сосредоточенных элементах и имеет частотно-зависимую фазу коэффициента передачи, но их разность примерно постоянна в диапазоне частот. В соответствующем подразделе приведены результаты расчетов характеристик данных изделий, а также результаты их измерений, проведенные в рамках испытаний, подтверждающие достоверность расчетных результатов, а также работоспособность разработанных изделий.

Выполнены экспериментальные исследования и практическая реализация автоматизированных согласующего и фазирующего устройств из состава автоматизированного комплекса технических средств аварийной адаптивной ДКМВ радиосвязи. Эти устройства реализованы на основе симметричного П-контура с плавно перестраиваемыми индуктивными элементами в продольных плечах и плавно перестраиваемыми емкостными элементами — в поперечных плечах. В качестве индуктивных элементов использовались бесконтактные вариометры, в качестве емкостных элементов — вакуумные конденсаторы. В соответствующем подразделе приведены результаты испытаний данных изделий, подтверждающие эффективность и широкие возможности согласования и фазирования разработанных устройств.

Выполнены экспериментальные исследования и практическая реализация коммутируемого антенного согласующего устройства из состава комплекса технических средств автоматизированной адаптивной радиосвязи в диапазоне ДКМВ. Согласующее устройство представляет собой дискретно перестраиваемый П-контур, образованный последовательным блоком индуктивностей и параллельными идентичными симметрично расположенными блоками емкостей. Настраивается устройство с помощью управляющей ЭВМ на основе разработанных автором алгоритмов автоматической настройки. Проведенные испытания комплекса на реальных связях полностью подтвердили работоспособность разработанного согласующего устройства даже при весьма низком уровне естественного согласования антенн.

Результаты всех экспериментальных исследований и практической реализации разработанных автоматизированных антенно-фидерных устройств убедительно подтвердили основные положения и выводы диссертационной работы, адекватность расчетных моделей, работоспособность и эффективность разработанных методик, алгоритмов и технических решений.

Внедрение научных и прикладных результатов диссертационных исследований осуществлено при проведении работ по созданию оборудования специальной радиосвязи в интересах Спецсвязи ФСО России. Внедрение результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами, приведенными в Приложении.