В настоящее время в России, как и во всем мире, наблюдается возрождение интереса к радиосвязи и радиовещанию в диапазоне ДКМВ.
Достоинства ДКМВ радиосвязи общеизвестны. Это, прежде всего, высокая гибкость и мобильность, относительно слабая зависимость от инфраструктуры, возможность организации связи в кратчайшие сроки и при минимальных затратах на самые различные расстояния, в том числе из неподготовленных районов. Кроме того, ДКМВ радиосвязь обладает высокой живучестью, в том числе, за счет способности функционировать в условиях частичных отказов. В результате возрастает надежность системы связи в целомдаже при относительно низкой надежности отдельного ДКМВ радиоканала, что особенно существенно при стихийных бедствиях, природных и техногенных катастрофах, террористических актах и иных чрезвычайных ситуациях.
В силу отмеченных* достоинств ДКМВ радиосвязь, соответствующим образом модернизированная, и в нынешних условиях остается важным резервным, а нередко и основным средством сухопутной, морской и воздушной радиосвязи и в частности — важнейшим резервным (аварийным) средством специальной связи.
Важными направлениями модернизации ДКМВ радиосвязи, позволяющими существенно повысить качество связи, а также открыть новые возможности по оказанию услуг на основе передачи мультисервисной информации, стали переход на передачу информации в дискретной форме в сочетании с использованием помехозащищенных сигнально-кодовых конструкций, а также внедрение автоматизированной оперативной адаптации радиолиний к изменению параметров среды распространения.
Аналогичные процессы модернизации на основе внедрения цифровых технологий наблюдаются и в области ДКМВ радиовещания.
Существенной составной частью модернизации технических средств ДКМВ является модернизация антенно-фидерного оборудования, осуществляемая в настоящее время по двум важнейшим направлениям.
Во-первых, это разработка новых антенн и антенно-фидерных устройств (АФУ), включая малогабаритные передающие антенны, широкополосные антенны зенитного излучения, антенны с управляемыми поляризационными характеристиками, быстроперестраиваемые согласующие и фазирующие устройства.
Во-вторых, это модернизация дорогостоящих антенн, антенно-мачтовых сооружений, фидеров и устройств фидерного тракта действующих радиоцентров на основе актуализированной конструкторской документации, с использованием современных проектных решений, технологий и конструкционных материалов.
В обоих случаях решение задач создания или модернизации АФУ диапазона ДКМВ должно осуществляться на основе, использования современных расчетных методов антенной электродинамики, передовых технических решений и технологических возможностей.
Это в полной мере относится и к группе задач, связанных с обеспечением электрической прочности составных частей и элементов АФУ при их создании или модернизации. Реализация технически, и экономически обоснованных решений, особенно с учетом^ тяжелых режимов работы проволочных структур и изоляторов в современных АФУ, настоятельно требует замены устаревших методик расчета электрической прочности антенно-фидерного оборудования на новые, основанные на современных численных электродинамических методах.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема разработки и практической реализации новых, более совершенных средств проектирования АФУ диапазона ДКМВ в части, относящейся к обеспечению их электрической прочности, на основе современных методов антенной электродинамики.
Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.
В рамках сформулированной проблемы определение параметров электрической прочности антенно-фидерных устройств предполагает решение электродинамической задачи отыскания распределения токов, наведенных на телах. Эта задача относится к классу внешних задач электродинамики.
Как известно, существует несколько методов решения электродинамических задач, которые укрупненно можно разделить на две группы. К первой следует отнести методы, основанные на решении краевых задач для соответствующих дифференциальных уравнений. Ко второй группе относятся методы, использующие интегральные представления поля и предполагающие решение интегрального уравнения или системы интегральных уравнений.
Решение краевых задач для дифференциальных уравнений предполагается в различных вариантах метода конечных элементов, конечно-разностной аппроксимации и т. д. [85, 87, 106, 115, 126, 127]. Некоторые из этих методов реализованы в готовых универсальных, сложных и дорогих коммерческих программных продуктах [129]. Подобные подходы эффективны для внутренних электродинамических задач, в случаях же внешних задач (в том числе антенных) они значительно проигрывают интегральным уравнениям с точки зрения потребности в вычислительных ресурсах, так как конечно-разностная схема строится в неограниченном пространстве (конечно, она ограничивается введением граничного условия на бесконечности, но все равно остается весьма протяженной). Что касается анализа во временной области [139, 152], то здесь возникает дополнительное ограничение области целесообразного применения — излучаемый сигнал должен иметь очень широкий спектр (весьма короткий импульс, или последовательность импульсов с очень большой скважностью).
Перейдем к рассмотрению методов, основанных на интегральных уравнениях. Здесь также укрупненно можно выделить два основных направления. К первому относятся методы, основанные на постановке задачи относительно эквивалентных (осевых или поверхностных на искусственно вводимых по-i верхностях) источников, что обеспечивает устранение особенностей, возникающих при совпадении точек наблюдения и интегрирования. Ко второму направлению относятся методы на основе строгой исходной постановки задачи относительно поверхностных источников (ток, заряд) без устранения возникающих при этом особенностей в ядрах интегральных операторов.
В рамках первого направления следует сразу же отметить большую группу методов на основе тонкопроволочного приближения с использованием уравнений Фредгольма первого рода. Подобные методы развивались в работах Е. Галлена (Е. Hallen), Р. Ф. Харринггона (R.F. Harrington), Дж.Х. Ричмонда (J.H. Richmond), Г. А. Клигера, А. В. Рунова и многих других ученых [5, 9, 12, 25, 26, 58, 104, 116, 122 — 124, 135, 136, 142, 149, 150]. Их отличает простота алгоритмизации, сравнительно небольшая* потребность в вычислительных ресурсах, универсальность в смысле пространственных форм и т. д. Основной и достаточно серьезный недостаток этих методов, существенным образом ограничивающий их возможности, заключается в некорректности задачи по АдамаI ру, в результате чего возникают довольно сильные ограничения на величину радиуса проводников.
Кроме этого, в последнее время быстро развиваются методы электродинамического анализа’на основе использования интегральных уравнений Фредгольма второго рода. Как правило, такие уравнения получаются при выводе их г из граничных условий относительно тангенциальной составляющей магнитного поля или нормальной составляющей электрического поля [19 — 21, 24 — 26, 133, 151, 153, 157]. Эти методы свободны от указанных выше недостатков, однако одним из их недостатков является относительно большое время счета.
Из числа методов на основе постановки задачи относительно поверхностных источников применительно к задачам анализа проволочных антенн в настоящее время наиболее интенсивно развиваются методы сингулярных инте, гральных уравнений. При этом обычно используются интегральные уравнения с точными (нефредгольмовскими) ядрами и поверхностными (или кратными) интегралами, которые затем сводятся к сингулярным уравнениям с однократными несобственными интегралами, понимаемыми в смысле главного значения по Коши. Такие методы развиты в трудах А. Л. Бузова, В. А Неганова, Г. П. Ярового, С. И. Эминова и других ученых [18, 77 — 82, 101, 113, 128, 140, 155]. Они позволяют строить устойчивые вычислительные1 алгоритмы, однако пока недостаточно универсальны в смысле пространственных форм тел и относительно ресурсоемки.
К числу методов на основе постановки задачи, относительно поверхностных источников относится также предложенный Л. С. Казанским метод обобщенной эквивалентной цепи (ОЭЦ) [22, 35, 36, 38 — 40, 69, 70, 71]. Метод ОЭЦ обеспечивает достаточную эффективность при анализе электрически толстых проводников и достаточно универсален в смысле формы поперечного сечения. Метод, имея точность, соответствующую методам решения интегральных уравнений, позволяет получить явную зависимость между физическими параметрами и величинами элементов эквивалентной цепи. Имеется еще1 один аспект применения данного метода. Так, решение методом интегральных уравнений осуществляется обычно в предположении, что диэлектрическая среда, в которой находятся рассматриваемые проводники с токами, однородна. В данной же работе предполагается исследование сложных тел (в частности, антенных изоляторов), состоящих из нескольких диэлектриков. Поэтому применение метода ОЭЦ здесь особенно удобно.
Таким образом, с учетом специфики поставленных в работе задач, наиболее перспективным в качестве основы для разработки, эффективной методики анализа представляется метод обобщенной эквивалентной цепи.
Разработка методики расчета электрической прочности системы, состоящей из проводников и диэлектриков, невозможна без разработки методики определения тепловыделения в антенных изоляторах и расчета на ее основе распределения температуры по объему антенных изоляторов различного типа.
Расчет распределения температуры в общем случае предполагает совместное решение краевых задач электродинамики и термодинамики. При этом одним из важных моментов является определение зависимостей электрофизических свойств среды от температуры.
Связь между уравнениями электродинамики и теплопроводности может быть сильной, когда электрофизические свойства диэлектрика существенным образом зависят от температуры, и эту зависимость необходимо учитывать при решении электродинамической задачи, или слабой, когда эта зависимость проявляется незначительно, и ей можно пренебречь. В первом случае необходимо решать нелинейную задачу. Аналитического решения таких задач в настоящее время не существует. Во втором случае задача упрощается — становится линейной и, что весьма существенно, распадается на две независимых задачи.
Для оценки параметров диэлектрика в некоторых работах предлагается метод виртуальной волноводной ячейки [8, 34, 43, 49, 50, 52 — 55, 65, 67, 73, 74, 117]. Другими словами, тепловые процессы в нагреваемом объекте могут быть описаны решением краевой задачи теплопроводности в приближении заданного электромагнитного поля, которое найдено из решения краевой задачи электродинамики. Задачи электродинамики и теплопроводности формализуются как система неоднородных дифференциальных или интегральных уравнений с определенными начальными и граничными условиями. Решение осуществляется стандартными численными методами.
Подобные задачи тесно связаны с расчетом проводников, находящихся в слоистом диэлектрике, а также с расчетом нагрева диэлектриков в поле антенны [48, 68, 97, 125, 130 — 132, 134, 137, 138, 141, 143, 144, 146, 154]. Прежде всего, это направление развивалось применительно к задачам обеспечения электромагнитной безопасности (расчет удельной поглощаемой мощности — SAR), однако соответствующие методы расчета в принципе применимы и к диэлектрическим телам, рассматриваемым в рамках данной работы.
Имеется значительное количество публикаций прикладного характера по вопросам электрической прочности трактов мощных передатчиков [13] передающих центров. Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований электропрочности для антенн и различного рода изоляторов в различных частотных диапазонах.
В частности, экспериментально и теоретически исследуются электрическая прочность цилиндрического резонатора, параметры различных типов изоляции токопроводов, вопросы теплового старения изоляции, ее влагоразрядные характеристики, зависимость электрической прочности от слоя загрязнения изоляторакоронные помехи в проводах линий электропередачи и т. д. [2, 14, 51, 56, 59, 63, 66, 86, 96, 99, 102, 105, 112]. При этом рассматриваются различные виды воздействующего напряжения, например, прямоугольный импульс и импульс пульсирующего напряжения при различном*коэффициенте пульсации [56].
Особое внимание уделяется-построению защиты от перенапряжений, при которой изоляция и надежность электропередачи определяется исключительно нормальным эксплуатационным режимом [99- 103, 111, 119, 147]. Предлагаются различные способы повышения рабочего напряжения на изоляторах.
Параллельно с этим проводятся различные исследования диэлектрических материалов, из которых изготавливаются изоляторы. Например, рассматриваются зависимости удельного объемного сопротивления от состава изолятора, температуры, напряженности поля и тепловой истории изолятора [23, 107]. Кроме этого, одним из важнейших вопросов здесь является применение новых диэлектрических материалов с улучшенными свойствами для изготовления изоляторов. В технике высоких напряжений промышленной частоты используются комбинированные изоляторы, составленные из разных диэлектрических материалов [1, 15, 89, 90, 91 — 93]. Цель применения разных диэлектриков — обеспечение нужного сочетания механических свойств с электрической прочностью на пробой по поверхности и по толще диэлектрика.
Аналогичные технические решения, по-видимому, перспективны и для ДКМВ диапазона, однако подходы к выбору диэлектриков и критерии эффективности из комбинирования должны быть существенно иными, т.к. в диапазоне ДКМВ существенна прочность относительно теплового пробоя, вызванного разогревом диэлектрика приложенным высокочастотным полем. Помимо улучшения механических характеристик изоляторов, комбинирование различных диэлектриков представляется автору перспективным как средство повышения их электропрочности в ДКМВ диапазоне. Целесообразна разработка подобного технического решения, которое может претендовать на новизну и патентную защиту. По крайней мере, в доступной автору литературе подобные технические решения не встречались.
Перейдем к краткому рассмотрению принятых в настоящее время методов расчета полей и характеристик электропрочности.
В технике высоких напряжений промышленной частоты для расчета напряженности электрического поля (с целью определения электрической прочности конструкций и безопасности по электромагнитному фактору) используются, в том числе, численные электродинамические методы (преимущественно электростатические), что отражено, в частности, в трудах E.G. Колечицкого [51]. Однако, в силу отличия-специфики высоковольтных конструкций и проволочных АФУ, а также необходимости учета запаздывания потенциалов и полей, результаты этих работ далеко не всегда могут быть использованы в технике ДКМВ.
Представляют определенный интерес имеющиесянормативные материалы по расчету напряженности поля в высоковольтных элементах и конструкциях [76] и исследования в области электрической прочности оборудования промышленных установок высокочастотного нагрева [7].
Вопросы электрической прочности проволочных антенн и фидеров ДКМВ диапазона отражены в трудах Г. З. Айзенберга, В. Д. Кузнецова, С.П. Бе-лоусова, Г. А. Клигера, В. И. Комисарова и ряда других ученых [3−5, 11, 58]. В упомянутых работах рассматривается электрическая прочность многопроводных фидеров, а также на этой основе — вибраторных антенн типа СГД, СГДРА. При этом распределение токов по проводам полагаетсязаданным.
В части расчета электрической прочности изоляторов, работающих в данном диапазоне частот, до сих пор непревзойденными являются руководства, созданные Б. В. Брауде [14, 15]. Они до сих пор используются на предприятиях России, в том числе и в месте, где были созданы: теперь это РИМР и МАРТ (г. Санкт-Петербург). Отметим, что в работе [14] рассматривается пробой по поверхности изолятора. Вопросов теплового пробоя она не касается.
В целом, обзор отечественной и зарубежной научно-технической, нормативной и патентной литературы показал, что методы расчета электрической прочности антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона и их элементов на основе современных точных численных электродинамических методов до настоящего времени не разработаны.
Цель работы — разработка, исследование, экспериментальная апробация и практическая реализация эффективных методик расчета параметров электрической прочности в рамках разработки антенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе выполнена следующая программа исследований.
1. Разработка методики электродинамического расчета напряженности поля и анализа электрической прочности по воздуху проволочного АФУ.
2. Разработка методики электродинамического моделирования диэлектрических тел с потерями и расчета напряженности поля вблизи и внутри локальных областей, занятых диэлектриком.
3. Разработка методики анализа процессов тепловыделения в диэлектриках антенных изоляторов.
4. Разработка на этой* основе методики анализа электрической прочности проволочных антенн ДКМВ диапазона, учитывающей электрическую прочность воздушных промежутков и изоляторов (в том числе, по поверхностному и внутреннему тепловому пробою).
5. Исследование характеристик тепловыделения в диэлектрике антенного изолятора в зависимости от формы, относительной диэлектрической проницаемости и удельной проводимости материала изолятора.
6. Исследование и разработка составного антенного изолятора.
7. Разработка методики и алгоритма проектирования малогабаритных ан-тенно-фидерных устройств ДКМВ диапазона, содержащих однородные и составные изоляторы.
8. Экспериментальные исследования и практическая реализация разработанных методик и изоляторов.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложения.
Основные результаты диссертационного исследованияопубликованы в научных труда автора [158 — 186].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В рамках диссертационной работы получены следующие научные и научно-прикладные результаты.
Выполнен предварительный качественный анализ проблемы и объекта исследования. Обоснованы общие подходы к решению общей задачисформулированы частные задачи иопределены подходы к их решению.
Разработана методика, анализа' электрической прочности по воздуху и по поверхностям антенных изоляторов. Решены вопросы расчета поля, в критических точках, включая случаи, когда последние находятсяна поверхностях проводников и в непосредственной близости от них. Обоснован метод интегрирования > особенности (при расположении точки* наблюдения на поверхности проводника), основанный на разложении функции Грина в степенной рядисследованы вопросы потери точности при усечении рядаполучены соответствующие рекомендации.
Разработана методика электродинамического моделированияизолятора. Обоснован, способ построения модели в виде парциальной обобщенной эквивалентной цепиструктурно? ничем не отличающейся от эквивалентной цепи проволочной системыэто позволило без каких-либо затруднений объединить обе эквивалентные цепи в общую электродинамическую модель. Получены все необходимые расчетные соотношения для^ определения обобщенных импедансов и адмитансов, описывающих материал диэлектрика. Исследованы: вопросы определения эквивалентных радиусов в сетке, описывающей диэлектрик, и других параметров расчетной модели. На этойоснове разработана методика решения электродинамической задачидля проволочных систем с диэлектрическими включениями.
С целью оценки адекватности разработанных методик проведено их тестирование. При этом в качестве тестовых выбраны задачи, для которых могут быть применены известные методы, обеспечивающие высокую точность (например, методы, теории длинных линий).— В4 ходе: тестированияподтверждена адекватность предложенных методик и продемонстрирована их эффективность.
На основе аппроксимации результатов численных электродинамических расчетов получено приближенное соотношение для определения удельноймощности потерь в: палочном высокочастотном изоляторе в зависимости от диэлектрической проницаемости и: удельнойшроводимости материала изолятора и отношения его диаметра к длине. Осуществлены исследованиякасающиеся, в частности-, определения* зависимостей между формой изолятора и: его электрическими характеристиками: Установлено, чтосточкизрениятеплового! пробоя изоляторы меньшего сечения выгоднее.
Разработана методика анализа, тепловыделения в антенных изоляторах. При разработке методики использован' метод обобщенной эквивалентной цепи в. его модификации для расчета тел из неидеального * диэлектрика,. при которой:' диэлектрическое тело отображается объемной сеткой с импедансными нагрузкамисоответствующими свойствам диэлектрика: На основе данногоподхода, разработана методика.расчета. распределения температуры по объему изолятора. При этом — использован: метод аналогий : — термодинамическая*задача,. подоб-но"электростатическойформализована уравнением Пуассона.
Проведены исследования проволочных систем на предмет возникновения: факельных истечений.
На основе: проведенных исследований: разработана! общая методика анализа электрической прочности проволочных систем с диэлектрическими включениями. л.
Разработано техническое решение составного антенного изолятора. Сущность данного решения? состоит в. уменьшении объема высокочастотного ¦ диэлектрика. Для этого в известном антенном изоляторе, содержащем жесткий стержень, его части, примыкающие к проводникам с высоким потенциалом, выполнены из материала с меньшей удельной активной проводимостью, а на основном, протяжении: стержень выполнен: из материала с большей удельной активной проводимостью. Использование составных изоляторов позволяет экономить дорогостоящий высокочастотный диэлектрик, а также позволяет в лучшей мере сочетать электрические и механические свойства разных диэлектриков, что обеспечивает определенную гибкость при проектировании.
Разработана методика синтеза составного антенного изолятора.
По новому техническому решению составного антенного изолятора подана заявка на патент.
На основе проведенных исследований разработана методика проектирования малогабаритных ДКМВ антенно-фидерных устройств. Обоснованвид целевых функций экстремальных задач отысканшр оптимальных компоновочных решений излучающей структуры ^ фидерного тракта. Данные' функции определены в виде суммы аддитивных компонент — парциальных целевых функций, каждая из которых представляет собой оценку того или иного параметра антенны. При этом для наиболее ответственных параметров (входной импеданс, электрическая прочность) они построены по типу «штрафных» функций, т. е. в виде степенных функций. Последнее обеспечило дифференцируемость общей целевой функции по совокупности переменных и позволило применить для решения экстремальных задач градиентный метод.
На основе формализации методики разработан алгоритм проектирования малогабаритных ДКМВ антенно-фидерных устройств. Основные процедуры алгоритма программно реализованы на ЭВМ. Сюда относятся, процедуры решения электродинамической’задачи, расчет характеристик антенны и текущего значения целевой функции.
С целью подтверждения работоспособности и эффективности^ разработанных методик и технического решения антенного изолятора выполнены следующие экспериментальные исследования.
Разработаны и изготовлены макеты составного и несоставного изоляторовпроведены их экспериментальные исследования с использованием передатчика радиостанции Р-140. Разработана методика эксперимента, предполагающая применение последовательного ЬС-контура для «раскачки» высокочастотного напряжения, поскольку напряжение, создаваемое имеющимся передатчиком при штатной работе на эквивалент антенны (около 100 В), было явно недостаточным для наблюдения, эффектов теплового пробоя. Всего было использовано два контура. Контур относительно малой добротности (импеданс катушки индуктивности 300 Ом при увеличении напряжения в 6 раз) позволил наблюдать температурные режимы изоляторов без разрушения и сопоставлять их с расчетными данными. Контур высокой добротности (импеданс катушки индуктивности 900 Ом при увеличении напряжения в 18 раз) обеспечил возможность наблюдения* теплового разрушения несоставного изолятора при нормальной работе (без перегрева) составного изолятора. Результаты эксперимента подтвердили работоспособность и эффективность разработанных методик. По результатам экспериментальных исследований сделан вывод о заметном увеличении электрической прочности изолятора при выполнении его в составном варианте.
Результаты диссертационного исследования внедрены при практической реализации ряда изделий. При этом в рамках испытаний изделий (опытных образцов) также проведены экспериментальные исследования составных частей, при разработке которых использованы разработанные автором методики.
Выполнена разработка передающего антенно-фидерного тракта адаптивной автоматизированной радиостанции «КТС ААРС». Осуществлена его практическая реализация, и в рамках линейных и" государственных испытаний опытного образца радиостанции проведены его экспериментальные исследования. При этом было установлено, что, несмотря на весьма низкий собственный КБВ антенны, передающий антенно-фидерный тракт обеспечил необходимую настройку согласующего устройства и высокую надежность в условиях прохождения номинальной мощности.
Выполнена разработка комплекта монтажных частей, включая комплекты фидерных перемычек и изоляторов, в составе передающей антенны зенитного излученияАЗИ-ПРД. В рамках линейных испытаний опытного образца антенныпроведенысоответствующие, экспериментальные исследования, которые, в частности, показали, что наличие фидерных перемычек, несмотряна большое их количество, не нарушило однородность тракта и не привело к ухудшению естественного согласования: антенны. Было также установленочто фидерный тракт в целом, сконструированный при участии автора, вполне отвечает высоким требованиям по электрической прочности, и обеспечивает нормальную-работу изделия. при излучении: номинальной мощности.
Кроме тогоразработанныеавтором, методика, анализа электрическойпрочности! и, методика синтезасоставного изолятора были использованы при разработке в ФГУП СОНИИР ряда других изделий: АФУ «Октава-К11», АФУ «Октава-КР», комплекта модернизированных элементов' передающих антенн (типа: РГД) КМЭА-Г1РД, комплекта модернизированных элементов передающих фидеров КМЭФ-ПРД.
Результаты всех экспериментальных. исследований и практической реализации разработанных изделий убедительно подтвердили основные положения и выводы диссертационной работы, адекватность расчетных моделей, работоспособность и эффективность разработанных методик, алгоритмов и технических решений.
Внедрение научных и, прикладных результатовдиссертационных исследований, осуществлено при проведении работ по созданию оборудования специальной радиосвязи в интересах Спецсвязи ФСО России: Внедрение результатов работы ж достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами, приведенными в Приложении.
