Разработка метода анализа и исследование электромагнитных полей, создаваемых распределительными сетями кабельного телевидения, в целях обеспечения электромагнитной совместимости с бортовыми радиотехническими системами

В последнем десятилетии прошлого века сети кабельного телевидения-(СКТВ) вошли и прочно укрепились в арсенале технических средств инфоком-муникаций, и в настоящеевремя они переживают весьма интенсивное развитие. Свобода систем кабельного телевидения от многих недостатков эфирных систем обуславливает тенденцию к практически полному вытеснению последних в ряде районов современных мегаполисов [20- 41].

Транспортный и частично или полностью магистральныйучасткисетей, кабельного телевидения выполняются: на основе оптического волокнаа распределительный участок— на основе коаксиального кабеля:

Несмотря на то, что коаксиальныекабели представляют собой закрытую,. структуру, всилу ряда причин, часть энергии, излучается в свободное пространство. Основной причиной такого, излучения является! антенный эффект коаксиального кабелявызванный следующими явлениями: I" несовершенство электрогерметичности внешнего проводника кабеляприсутствие неоднородностей в виде муфт, разъемовпереходовналичие дефектов^кабелей: изломов, проколов и т. п.- неисправности в соединителях-. затекание тока на: наружную поверхность внешнего проводника коаксиального кабеля за счет асимметрии нагрузок.

Таким образом, коаксиальные участкисетей кабельного телевидения представляют собой распределенные на значительной площади излучающие системы, непреднамеренное излучение которых создает специфическую проблему электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими техническими средствами, использующими совмещенный частотный ресурс (47- 862 МГц), в. частности, с системами аэронавигации. Данная, проблема, по свидетельству многих специалистов, является весьма актуальной как для нашей страны, так и для ряда европейских стран [104, 111].

Частоты аэронавигационных служб (табл. В.1) распределены на международной основе, поскольку для их успешной работы во всех странах требуется использование оборудования с одинаковыми характеристиками, что предполагает необходимость широкомасштабного международного согласования правил его эксплуатации и технических требований.

Таблица В.1. Частоты аэронавигационных служб f, МГц Служба.

108−118 Аэронавигация (посадочные маяки, системы радионаведения).

118−143- 225 — 400 Аэромобильная связь (ведениерадиосвязи «воздух-земля»).

121,5- 123,1- 243,0 Аварийные частоты вызова, частота аварийного радиомаяка для обнаружения местоположения аварии.

328,6 -335,4 Аэронавигация (системы слепой посадки самолетов).

В последнее время наметилась. тенденция к замене коаксиального, кабеля на оптический, в частности, на магистральном уровне [39], однако, озвученная выше специфическая проблема не теряет своей актуальности, ввиду того, что! домовые распределительные сети по прежнему строятся с использованием коаксиального кабеля, а количество неисправностей в коаксиальной части сети составляет до 80% от общего количества неисправностей, приходящихся на всю сеть кабельного телевидения [41].

Очевидно, что излучение кабельных сетей будет определяться* не только номинальными мощностями сигналов, передаваемых по кабелям, но и топологией, размерами сети, способом прокладки кабелей, обуславливающими наличие различных интерференционных эффектов.

Обеспечение ЭМС с бортовыми радиотехническими системами (БРС) требует решения задачи мониторинга сетей кабельного телевидения по фактору побочного электромагнитного излучения.

В данных условиях электромагнитный мониторинг целесообразно понимать как систему регулярных длительных непрерывных наблюдений, оценки и прогноза состояния техносферы, а так же своевременного выявления тенденций возникновения ситуаций, связанных с деструктивными последствиями, для обеспечения возможности принятия. технико-управленческих решений, способствующих устранению фатальных и субфатальных рисков.

Анализ электромагнитного поля при проведении, комплекса мероприятий, связанных с электромагнитным мониторингом, очевидно, играет решающую роль, ввиду того, что его и только его результаты непосредственно обеспечивают возможность оценки величины риска.

Среди методов решения задач электромагнитного мониторинга традиционно выделяют два направления: экспериментальные методырасчетные методы, расчетное прогнозирование.

Каждое из упомянутых направлений имеет свою< сферу применения и< обладает специфическими достоинствами и недостатками;

Следует отметить, что технические средства, входящие в систему кабельного телевидения имеют довольно сложную, в смысле распределения первичных токов, конфигурацию, а создаваемые ими электромагнитные поля локализованы на1 значительных по площади территориях. Кроме того, исходные параметры анализируемых технических средств (токи и напряжения) подвержены регулярным и стохастическим изменениям, что приводит к необходимости моделирования адекватных условий при проведении измеренийчто достаточно сложно, а в ряде случаев невозможно. Указанные обстоятельства накладывают известные трудности на корректное проведение эксперимента и воспроизводимость результатов, получаемых, эмпирическим путем, а это, в свою очередь, обуславливает целесообразность предпочтения, отдаваемого методикам расчетного прогнозирования электромагнитной обстановки по отношению к экспериментальным методам [5, 35, 44, 52].

Однако, существующая в мировой инженерной практике тенденция* такова, что большинство авторов, занятых данной проблемой публикуют в основном результаты, полученные экспериментальным путем [104, 108, 111, 112, 118- 120, 110], на которые, безусловно, распространяются указанные выше ограничения.

Таким, образом, имеет место весьма актуальная научно-техническая проблема разработки, метода анализа электромагнитных полей (ЭМП), создаваемых распределительными сетями* кабельного, телевидения, который" обеспечит возможность анализа реальной структуры поля, а также воспроизводимость, результатов в.эксперименте.

Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.

Проблемы, методы, средства численного анализа ЭМП, источникамикоторых являются разнообразные технические средства, в* том числе и те, для. которых данное свойство неспецифичноили* не продиктовано функциональным назначением, достаточно полно освещены в литературе [15, 16, 40, 61, 65, 66, 94', 95, 107]. При этом большинство авторов используют методы математическогоv моделированияхорошо зарекомендовавшие себя при решении задач вычислительной-электродинамики, и теории антенн [1, 2, 3- 14, 16, 17, 20, 36- 49, 50, 53, 56,71,94].

Фундаментальными*в области расчета ЭМП технических средств традиционно признаются работы Бузова A. JL, Кубанова В. П., Маслова О. Н., Романова В. А., Сподобаева Ю. М., Шередько Е. Ю. и др. [3, 17, 45, 53, 65, 66]. В работах этих авторов развиты методология и принципиальные подходы к решению задач электромагнитного мониторинга технических средств, являющихся источниками ЭМП, систематизированы данные о технических средствах, с точки зрения характеристик излучаемого поля, сформулированы основные требования к методикам расчетного прогнозирования. Эти методологические подходы, примененные названными авторами для электромагнитного мониторинга как отдельных антенных систем, так и комплексов излучающих технических средств, вполне применимы и для решения задач, поставленных в диссертационной работе.

Методам расчета ЭМП и внешних, характеристик антенно-фидерных систем, аналогичных рассматриваемым в настоящем диссертационном исследовании, посвящены работы таких известных ученых как Айзенберга Г. 3., Бело-усова С. П., Брауде JTi Г., Князева А. С., Лаврова Г. А., Юдина В. В., Burke G. J., Poggio A. J., KingR. W. и др. [1, 2, 3, 7, 10, 12, 46, 48, 52, 56, 107,109].

Подходы к анализу полей излучения, фидерных линий различного конструктивного исполнения развитые работах Гринберга Г. А., Клигера Г. А., Комиссарова В. И. и др. [9, 10, 18, 25]. Учет подстилающей поверхности в задачах антенной электродинамики разработан в, публикациях Крылова Г. Н., Лаврова Г. А., Содина Л. Г., Тартаковского Л. С., Черномордика Д. А., Sommerfeld А. [52, 56, 90, 92, 93, 96, — 97, 98, 99, 105, 106]. Применительно к линиям передачи, стоит отметить монографию Sunde Е. D. [121].

Вопросам защиты экранированных кабелей от влияния ЭМП посвящены монографии Венса Э. Ф., Гроднева И. И., Михайлова М. И., Разумова Л. Д., Tsaliovich A., Reinhold V. N., Smith А. А. и др. [19, 35, 36, 37, 123].

Из ряда публикаций за последние годы необходимо выделить работы Мущенко В. И. [70], в которой решена задача расчета ЭМП коаксиальных структур с периодической системой дефектов и Севостьянова С. В. [91], посвященную вопросам обеспечения внутриобъектовой ЭМС телекоммуникационных систем, а также множество публикаций, посвященных подземной радиосвязи и периметровым средствам охранной сигнализации с использованием излучающих кабелей или «линий вытекающей волны».

Разработке методов анализа ЭМП, создаваемых распределительными сетями кабельного1 телевидения в целях обеспечения ЭМС с БРС, посвящен отчет [111] Европейского комитета по электронным средствам связи (ЕСС), опубликованный в 2003 году. Авторами [111] предложены модели для расчета ЭМП, создаваемых распределительными сетями, основанные на вероятностном подходе, что, очевидно, обусловлено теми обстоятельствами, что методы математической статистики позволяют, с одной стороны, осуществлять систематиче- -ский анализ большого объема экспериментальных данных, полученных в ходе работ по проведению электромагнитного мониторинга распределительных сетей над рядом европейских городов Франции, Германии, Дании и др. [104, 108, 111, 112, 118, 120, 110], а с другой стороны, использованные в названных работах статистико-вероятностные модели по своей «природе» менее требовательны в вычислительном смысле.

Широкое распространение высокопроизводительных вычислительных платформ, делает доступным «прямое» моделирование с использованием адекватных детерминированных моделей, основанных преждевсего на численных методах вычислительной электродинамики. Детерминистская идеология, позволяет рассматривать инженерную задачу, с учетом" малейших нюансов, имеющих деструктивное свойство по отношению к объекту обеспечения ЭМС.

Целью настоящей работьг является* разработка метода анализа и алгоритмов расчета ЭМП, создаваемых распределительными сетями кабельного телевидения, с учетом топологических особенностейсоздание на основе этих алгоритмов программных модулей, которые составят основу автоматизированной системы расчетного прогнозирования ЭМО над территорией-, мегапо- -лиса, а также исследование ЭМП. реальных распределительных сетей.

Необходимость проведения таких исследований диктуется актуальными! вопросами ЭМС распределительных сетей с БРС [111].

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

1. Систематизация сведений о проектировании и построении распределительных сетей, существенных для диссертационной работы.

2. Разработка моделей излучения, возникающего за счет антенного эффекта, фрагментов распределительной сети: сетевой магистрали, домовой распределительной сети, коаксиального сегмента микрорайона.

3. Исследование и анализ ЭМП, создаваемых фрагментами распределительных сетей различной конфигурации, выделение особенностей фрагментов, * существенно влияющих на структуру и уровни ЭМП.

4. Разработка методики анализа ЭМО над территорией мегаполиса, создаваемой распределительными сетями кабельного телевидения.

5. Исследование ЭМП, создаваемых реальными распределительными сетями кабельного телевидения мегаполиса, в целях обеспечения ЭМС с БРС.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть работы содержит 133 страницы, включая 73 рисунка и 7 таблиц.

Список литературы

содержит 123 наименования.

4.3. Выводы по главе 4.

В настоящем разделе диссертационной работы были объединены предложенные ранее подходы в единую расчетную методику, позволяющую исследовать ЭМП, создаваемые распределительными сетями кабельного телевидения мегаполиса. Разработан алгоритм прогнозирования электромагнитной обстановки на территории с последующей реализацией на ЭВМ.

Для тестирования разработанной методики проведен расчет электромагнитного поля для распределительного сегмента кабельной сети города Тольятти. Полученные результаты свидетельствуют о том, что исследуемый сегмент не удовлетворяет выбранному критерию ЭМС для БРС.

В разделе проведеносравнение результатов расчета, полученных с использованием разработанной методики, с существующими экспериментальными данными зарубежных авторов.

Сравнение показало, что уровни напряженности электрического поляполученные расчетными методами, близки к уровням, полученным эмпирическим путем, что позволяет сделать вывод о дальнейшем перспективном использовании разработанной методики анализа ЭМО над территорией с распределительными сетями.

Полученные результаты расчета свидетельствуют о том, что ЭМО над исследуемым сегментом неблагоприятна, с точки зрения принятых критериев ЭМС.

Достоинством разработанной методики является возможность варьирование исходных параметров, к примеру, шага сетки контрольных точек, высоты, на которой необходимо провести расчетное прогнозирование, что затруднено при проведении воздушных измерений.

Методика и результаты, приведенные в настоящем разделе, опубликованы в [77, 79, 81].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Бурное развитие кабельного телевидения привело к тому, что непреднамеренное излучение распределительных сетей кабельного телевидения создало специфическую проблему ЭМС с другими техническими средствами, в частности, с системами аэронавигации [111], основной причиной возникновения которой является совместное использование частотного ресурса обеими системами. Кроме того, распределительные сети кабельного телевидения, простираются на значительных территориях и создают уровни ЭМП существенные с точки зрения проблем ЭМС.

Планом работы над диссертацией предусматривалось разработать методы анализа ЭМП, создаваемых распределительными сетями кабельного телевидения, в целях обеспечения ЭМС с БРС. Разработанный метод должен учитывать топологические особенности распределительных сетей и обеспечивать возможность оценки ЭМО над территорией с точки зрения выбранных критериев ЭМС.

Распределительные сети представляют собойструктуру с ярко выраженной иерархией, что позволило выделить фрагменты (домовые распределительные сети и участки коаксиальных магистралей), для которых были предложены электродинамические модели, позволяющие учитывать степень риска деструктивного воздействия на БРС. Это достигается путем варьирования коэффициента утечки.

В качестве основного критерия ЭМС с БРС принято соответствие нормативно-технической документации, регламентирующей работу технических средств в данном' частотном диапазоне. В частном случае, для распределительных сетей кабельного телевидения уровень, создаваемого ими электрического поля, не должен превышать 10 мкВ/м на высоте 450 м. Этот критерий является основным при проведении' электромагнитного мониторинга распределительных сетей в зарубежной практике.

В основе расчета ЭМП, создаваемых фрагментами распределительной сети лежит базовая электродинамическая модель коаксиального кабеля, обтекаемого токами утечек. С учетом полученного закона распределения тока были выведены как общие основные соотношения, с* учетом подстилающей поверхности для компонент электромагнитного поля, создаваемого вертикальным и горизонтальным коаксиальным кабелем, так и частные, для расчета в дальней зоне.

В разделе, посвященному исследованию ЭМП, создаваемых фрагментами распределительных сетей, было получено, что коаксиальные магистрали, построенные по радиальной конфигурации, создают меньшие уровни напря-женностей ЭМП, чем магистрали, построенные по древовидной конфигурации." Смешанная-топология создает наиболее сложную интерференционную картину поля за. счет неравномерного распределения’коаксиальных кабелей: Это. объясняет и тот факт, что диаграмма направленности участка коаксиальной’магистрали, построенной' по смешанной топологии, имеет множество игольчатых боковых лепестков с практически равномерной концентрацией энергии по всем угловым направлениям.

Расчеты ЭМП, создаваемых ДРС, подтвердили предположение зарубежных авторов [111] о том, что основной вклад в суммарное поле, создаваемое всей распределительной, сетью, вносят домовые распределительные сети. Результаты* расчетов домовых распределительных сетей различной конфигурации наглядно демонстрируют, что они являются источником электромагнитного поля значительных, с точки зрения проблем электромагнитной совместимости, уровней.

По результатам проведенных исследований ЭМП ДРС сформированы правила для моделирования данного фрагмента распределительной сети.

Разработанный метод анализа ЭМП распределительных сетей кабельного телевидения лег в основу методики анализа ЭМО над территорией с распределительными сетями кабельного телевидения. Ключевым моментом разработанного метода является учет топологических особенностей сети, которые существенно влияют на структуру и уровни ЭМП распределительных сетей.

Все вычислительные процедуры, предложенные в диссертационной работе, реализованы в виде программных модулей, которые в дальнейшем составят основу перспективной автоматизированной системы. На всех этапах работы проведены тестовые расчеты, подтверждающие работоспособность программ.

Результаты диссертационной работы использованы при проведениив ПГАТИ научно-практических работ по исследованию ЭМП распределительного сегмента сети кабельного телевидения города Тольятти.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием апробированного многими авторами метода суперпозиции полей, и аппаратом аналитической геометрии.

Разработанные методики расчетного прогнозирования использованы в работах по инвентаризации и паспортизации источников электромагнитного излучения города Самары, проводимых в ПГАТИ по договору с Департаментом городского хозяйства и экологии Администрации г. Самары, совместно с муниципальным предприятием Самараинформресурс (тема 24/04/38-Ш-Э/2004, договор от 21 декабря 2004 г).

Разработанные автором методики моделирования, а так же результаты исследования ЭМП реальных объектов внедрены в учебный процесс ПГАТИ и практику дипломного проектирования на кафедре «Электродинамики и антенн».

Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены-соответствующими актами.

В заключении автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность своему научному руководителю д.т.н., профессору Ю. М. Сподобаеву, оказавшему колоссальное влияние на формирование его научных взглядов, а также к.т.н., доценту Маслову М. Ю. за всестороннюю поддержку на всех этапах работы, за ряд оригинальных идей и ценных замечаний по материалу диссертации.