Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций
Каталог

Обратная связь

Я ищу:

Содержимое электронного каталога российских диссертаций

Диссертационная работа:

Бондарь Игорь Викторович. Разработка и реализация эффективных расчетных и расчетно-экспериментальных методик решения задач технологии антенн подвижной радиосвязи и вещания : Дис. ... канд. техн. наук : 05.12.07 : Самара, 2004 220 c. РГБ ОД, 61:04-5/3518


Для получения доступа к работе, заполните представленную ниже форму:


*Имя Отчество:
*email



Содержание диссертации:

ВВЕДЕНИЕ 5

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЧ ТЕХНОЛОГИИ АНТЕНН. ПО
СТАНОВКА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ, ВЫВОД И ПРЕДВА
РИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
УРАВНЕНИЙ 18

  1. Классификация и краткая характеристика задач, возникающих на различных этапах технологического процесса создания антенн 18

  2. Общая постановка электростатических задач для экранированных узлов фидерного тракта. Сведение к интегральному уравнению трехмерной задачи для системы проводников 26

  3. Модификация интегрального уравнения трехмерной задачи с учетом наличия изоляторов проююдыюЕт формы 33

L4 Интегральные уравнения для двумерной и гибридной :*адач 43

  1. Особенности электростатического анализа неэкранированных многопроводных линии. Интегральные уравнения для соответствуюших двумерных задач 55

  2. Выводы по разделу 60

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И АЛГОРИТМОВ АНАЛИЗА ЭКРА
НИРОВАННЫХ УЗЛОВ ФИДЕРНОГО ТРАКТА 63

  1. Методика решения двумерной электростатической задачи для смечем проводников 63

  2. Методика и алгоритм анализа регулярных экранированных линий передачи произвольного сечения, включая системы связанных липни 71

«'

*

  1. Методика решения трехмерной электростатической зада для систем проводников я изоляторов 84

  2. Методика и алгоритм анализа неоднородностей б регулярных трактах и разветвлений регулярных трактов 93

  3. Выводы по разделу ] 08

3. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТО
ДИКИ И АЛГОРИТМА СИНТЕЗА ТРЕХПРОВОДНЫХ ЛИНИЙ В СО
СТАВЕ ВИБРАТОРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ. РАЗРАБОТКА ЭФФЕК
ТИВНОГО АЛГОРИТМА ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
АНТЕНН В ПРИСУТСТВИИ ПОСТОРОННИХ МЕТАЛЛОКОНСТ
РУКЦИЙ 111

3.1 Математическая модель симметрирующе-согласующей трех-
проводной линии 111

3.2 Методика электростатического анализа трехпроводной линии 118

3.3 Расчетно-экспериментапъная методика и алгоритм синтеза
трехпроводной линии 130

  1. Эффективный алгоритм электродинамического анализа антенн в присутствии посторонних металлоконструкций 137

  2. Оценка эффективности алгоритма электродинамического анализа антенн в присутствии посторонних металлоконструкций. Примеры расчетов 146

  3. Выводы по разделу 154

4. РАСЧЕТНО-ЗКСІШРИМБНГАЛЬІІАЯ ПРОВЕРКА И ПРАК
ТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК И АЛГО
РИТМОВ 160

І 4.1 Расчетная проверка методики анализа регулярных экраниро-

ванных линий и методики анализа неоднородностеи в регулярных трак
тах на основе решения тестовых задач 160

  1. Экспериментальная проверка методики анализа регулярных экранированных линий и методики анализа неоднородностеи в регулярных трактах 170

  2. Расчешо-экспериментальная проверка методики и алгоритма синтеза арехпроводных линий 173

  3. Практическая реализация разработанных методик и алгоритмов в рамках технология разработки и изготовления антенно-фидерных устройств 175

  4. Выводы по разделу 181

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 183

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 190

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 205

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 216



Введение диссертации:

Интенсивное развитие радиосвязи и телерадиовещания предполагает соответствующую интенсификацию технологии антенн - технологического процесса создания антенно-фидсрного оборудования. В современных условиях актуализируется проблема снижения издержек на разработку, изготовление и монтаж на объекте антенн, причем как общих, так и времекных, которые имеют самостоятельное значение, определяя сроки поставки.

Вообще говоря, это касается любой продукции, однако антенны занимают здесь особое положение. В рамках полного технологического цикла создания антенны выполняются этапы, существенно различающиеся с точки зрения теоретических подходов к решению задач, возникающих на этих этапах. Так, на этапе'теоретических исследований и принятия принципиальных решений антенна рассматривается как электродинамическая система, существенны ее электромагнитные свойства; на этапах конструирования и изготовления, в рамках которого создаются, составные части антенны и фидерного тракта^ последние рассматриваются как механические системы, существенными уже становятся их механические свойства; наконец, на этапах разработки проекта на размещения, монтажа и пуско-наладочных работ система «антенна - объект размещения» рассматривается и как механическая система, и как электродинамическая, коль скоро металлоконструкции алтенно-мачтового сооружения способны заметно изменить расчетные характеристики антенны. Все это приводит к тому, что работы на разных этапах технологического пикла выполняются специалистами разного профиля, что делает невозможным организационное объединение этапов, усложняет структуру технологии антенн, приводит к противоречиям между принципиальными и конструктивно-технологическими соображениями.

Структурная сложность антенной технологии способствует увеличению издержек- Специалисту б области теории антенн и технической электродинамики на расчетном этапе, предшествующем конструированию, трудно предугадать, какие конструкторские или технологические решения должны быть впоследствии применены для обеспечения необходимых механических свойств или технологичности конструкции. Между тем такие решения (сложная форма сечения линии, опорные изоляторы, различного рода неоднородности в регулярных трактах и т.п,) могут привести к значительному отличию фактических характеристик устройства от расчетных, что требует соответствующей корректировки первоначальных решений. В результате востребованными оказываются работы этапа теоретических исследований, и в технологическом цикле возникают многочисленные обратные связи.

Наряду со структурным усложнением технологии существенным оказывается и то обстоятельство, что конструктор или технолог производства руководствуются собственными соображениями, которые, как правило, противоречат принципу использования пространственных форм, значительно упрощающих расчеты, и приводят к необходимости проведения экспериментальных исследований, требующих значительных затрат. Так, круглая коаксиальная линия, являющаяся весьма простым объектом теоретического анализа, может оказаться нетехнояогъпшой; в то же время использование линии сложного сечения, може і быть целесообразным по-конструктивным или технологическим соображениям, но существенно усложняет расчет волнового сопротивления. Усложнение формы изолятора (опять-таки по конструктивным или технологическим соображениям) не позволяет использовать известные формулы для нахождения вносимой им емкости. Можно привести множество примеров, когда соображения принципиального и конструктивно-технологического характера вступают в противоречие. Все это, наряду со структурной сложностью технологии, приводит к значительному увеличению доли затрат на реализацию обратных связей в технологическом цикле и корректировку исходных решений.

Работы, характерные для этала теоретический исследований, оказываются востребованными и на этапе разработки проекта на размещения с целью учета влияния посторонних металлоконструкций. Здесь также возникает уже отмеченное противоречие между обеспечением электродинамических и механических свойств. Другая проблема - резкое увеличение размеров объекта электродинамического анализа и нарушение свойств симметрии, что ые позволяет использовать известные эффективные алгоритмы.

Четкая организация обратных связей в технологическом цикле является лишь организационной мерой и сама по себе не способна решить проблему. Необходимо увеличение точности расчетов и более широкое использование расчетных методов взамен экспериментальных, что опять-таки невозможно без обеспечения достаточной точности расчетов, В свою очередь повышение точности расчетов невозможно без обеспечения универсальности расчетных методик в смысле многообразия пространственных форм анализируемых объектов.

Все это требует применения методов математической физики. Благодаря электрической малости сечений трактов и неоднородностей, для их анализа могут1 быть использованы численные методы решения соответствующих электростатических задач. При анализе антенн в присутствии металлоконструкций необходимо использовать численные методы решения соответствующих электродинамических задач.

Анализируя опыт своей работы в области проектирования, монтажа, настройки и наладки аптенно-фидерных устройств, автор пришел к выводу, что снижению издержек, повышению технологичности, убыстрению всего процесса создания этих устройств от технического задания до установленного и отлаженного изделия препятствует недостаточная проработка трех вопросов:

- точного и быстрого расчета первичных параметров регулярных линий передачи произвольного сечения, как одиночных так и связанных;

- точного и быстрого анализа различных видов неоднородностей в регу
лярных трактах, включая их разлетвления; расчет емкостей, вносимых в тракт,
и других параметров эквивалентных схем неоднородностей;

- быстрого и достаточно точного учета влияния металлоконструкций
конструкций на характеристики антенн.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки и внедрения в технологический пронесе создания антенно-фидерного оборудования расчетных методик и алгоритмов, достаточно точных и универсальных с точки зрения многообразия вариантов конструктивного исполнения. Настоящая диссертационная работа направлена на решение данной проблемы.

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Общие вопросы технологии антенно-фидертшх устройств, касающиеся изготовления:, строительства, наладки, настройки, измерений, технологических допусков, освещены в трудах АЛ, Бузова, М.А. Минкина v\ ряда других ученых [1, 5, 6, 7, 8,12,14-16, 20-22, 44? 45, 53-55, 62, 72-74, 76-78, 80-82, 97, 108, 122-124, 127, 130]. Однако в эхих работах недостаточно изучены вопросы применения методов математической физики к анализу различных технологических элементов, не учитываемых на этапе теоретических исследований.

Исследованию характеристик регулярных (в том числе многопроводных) структур и их влияния на параметры линейных трактов посвящены труды Г. Андерсона, В.А. Андреева, И.С. Ковалева, С. Кона, Г. Маттея, Р. Митры и многих других ученых [2, 32, 34, 66, 69]. Однако, вопросы определения первичных параметров структур в этих работах, как правило, либо считаются решенными, либо решаются па основе использования методов конформного отображения для относительно простых вариантов формы поперечного сечения структуры.

Для определения первичных параметров и волнового сопротивления линии произвольного сечения используют численное решение двумерной электростатической задачи (методы конечных разностей, сеток, конечного элемента) [36, 37, 84, 93, 98, 125, 129, 131, 135], Волновое сопротивление линии произвольного сечения может быть также определено путем физического моделирования [48, 49, 50, 55, 104, 112], однако, при современном уровне развития вычислительной техники и программного обеспечения это e.jgia ли целесообразно, В настоящее время разработаны мощные универсальные программные комплексы для выполнения расчетов методом конечных разностей во временной области и методом конечного элемента, однако, эти программные комплексы весьма дороги и, вследствие универсальности, громоздки и требуют больших вычислительных мощностей.

Кроме того, при использовании дифференциальных (конечно-разностных) методов возникает трудности при анализе неэкраниро ванных линий, используемых, в частности, и составе вибраторных излучателей. Этого недостатка лишены методы, основанные на использовании интегральных уравнений [60], Решения с помощью интегральных уравнений обычно оказываются более экономичными, нежели методы, основанные на численном дифференцировании, поскольку первые не требуют отображения всех точек заданного объема или плоскости, а только ее границ (границ металла и диэлектрика). Методы расчета волновых сопротивлений линий передач с любой формой поперечного сечения рассмотрены в трудах В.В. Юдина [115, 117, 120], однако, в этой области еще остается еще ряд нерешенных вопросов, затрудняющие практическое применение данных методов; эти моменты будут подробнее освещены ниже.

Сведения для расчета параметров неоднородно стен в регулярных трактах имеются в различной справочной литературе [70, 99, 100? 107, 109]. Однако, к сожалению, эти сведения касаются, по преимуществу, конкретных типов неод-нородностей в конкретных типах линий; к тому же приводимые соотношения

ооычно являются в той или иной степени приближенными. Точный расчет, например, с применением интегральных уравнений в трехмерной области пространства, осложняется необходимостью учета регулярных линий, бесконечно протяженных по обе стороны неоднородности.

Вопрос влияния металлоконструкций опоры на характеристики антенн актуален, вследствие чего по нему имеется значительное количество научно-технических работ [3, 4, 10,14, 18, 23, 33, 88, 90, 99, 100, ПО, 136], большой вклад в исследование этого вопроса внесен трудами А.Л. Бузова и НА, Носова. Рассматривались как методы учета влияния опор, так и способы устранения этого нллянил. Учет шешшия металлоконструкций опоры производится точными численными электродинамическими методами, преимущественно основанными на решении интегральных уравнений [17, 32, 51, 52, 61, 62, 68, 86, 94, 101- 103, 113, 114, 126, 132, 134, 137, 138]. При этом как сама антенна, так и конструкции опоры рассматриваются как единая электродинамическая система, в результате чего резко возрастают размеры объекта анализа и потребные ресурсов ЭВМ. Особенно неблагоприятная ситуация возникает при анализе влияния опоры на антенные решетки с поворотной симметрией. Эти решетки весьма широко применяются для ОВЧ радиовещания, для ОВЧ и УВЧ телевизионного вещания [14, 25, 128], при многоканальной работе на базовых станциях сетей связи с подвижными объектами [5, 9, 13, 14, 60, 85, 105, 116]. Для алализа таких решеток, в частности, грудами В.В. Юдина, развиты расчетные методы [96, 116, 117, 118, 119, 121], позволяющие многократно экономить машинные ресурсы- Это возможно потому, что при поворотной симметрии матрицы соответствующих линеных систем приводятся к тешшцевым [27-30], расчет с помощью которых требует гораздо меньших ресурсов, чем те, которых требует расчет с помощью матриц общего вида. Однако конфигурация опоры редко полностью повторяет поворотную симметрию антенной решетки, так что в большинстве случаев при учете конструкций опоры приходится производить расчет с использованием матриц общего вида., имеющих значительно больший

порядок. Так, при анализе 32-элерентной кольцевой решетки учет даже небольшого элемента конструкции опоры из-за невозможности использования свойств симметрии приведет к увеличению требуемой оперативной памяти приблизительно в 32 раза, а времени счета - в 1000 раз. В результате использование общедоступных персональных ЭВМ будет исключено. Автор считает одной из важных задач данной диссертационной работы найти и обосновать выход из данного неблагоприятного положения.

Цель работы: разработка и реализация эффективных методик и алгоритмов анализа экранированных и неэкранированных узлов фидерного тракта с учетом технологических элементов (изоляторов, различных неодиородностеЙ и пр.); разработка эффективного алгоритма электродинамического анализа антенн в присутствии посторонних металлоконструкций.

Для достижения поставленной цели в настоящей диссертационной работе выполнена следующая программа исследований;

Реклама


2006-20011 © Каталог российских диссертаций