Введение к работе
Актуальность темы и состояпие вопроса
В настоящее время в России, как и во всем мире, наблюдается быстрое возрастание потребности в услугах связи, в том числе - радиосвязи с подвижными объектами.
Опыт недавних чрезвычайных ситуаций со всей очевидностью показал необходимость радикального совершенствования систем связи для обеспечения народнохозяйственного и войскового управления. Построение систем специальной связи с подвижными объектами, тем более в условиях нашей страны, должно неизбежно иметь отличия от обычной гражданской подвижной связи для обеспечения надежности, устойчивости к случайным и преднамеренным повреждениям, безусловного закрытия каналов и вместе с тем обеспечения единой сетью связи многих населенных пунктов, обеспечения связью значительного числа направлений (дорог), организации временных (передвижных) узлов связи.
Широко распространенное сотовое построение системы подвижной связи не подходит для указанных целей. Рассматриваемая система связи должна быть построена по многочасготному многодиапазонному принципу с несколькими расположенными в разных местах центральными станциями разных диапазонов частот с одновременным покрытием одной и той же территории (для крупных центров), наличием вынесенных центральных, мобильных быстроразворачиваемых станций, мобильных и стационарных станций пешей связи.
При создании новых и совершенствовании существующих объектов в составе систем специальной связи с подвижными объектами одной из основных задач в настоящее время является резкое увеличение числа одновременно используемых каналов связи. Один из наиболее распространенных перспективных путей решения этой задачи - применение в составе объекта подвижной связи многовходовых антенных и антенно-фидерных устройств, обеспечивающих объединение радиосредств.
4 Наряду с выполнением необходимых технических (тактико-технических) требований, при создании (модернизации) объекта должны решаться задачи обеспечения безопасности обслуживающего персонала и населения от вредного действия радиочастотных излучений.
Таким образом, в настоящее время существует актуальная научно-техническая проблема создания теории, разработки основ проектирования и совершенствования принципиальных и технических решений многоканальных приемо-передающих устройств объединения радиосредств систем связи с подвижными объектами.
Состояние вопроса в рассматриваемой области характеризуется следующими основными достижениями.
Оборудование объединения радиосредств объекта подвижной связи должно обеспечивать сложение сигналов необходимого числа некогерентных передатчиков с минимальными потерями мощности и их всенаправлен-ное (изотропное) излучение. Аналопічішм образом, должен быть обеспечен изотропный прием и распределение принятых сигналов между несколькими независимыми приемниками с необходимым усилением.
Б настоящее время используются четыре основных способа объединения (мультиплексии) сигналов независимых радиопередатчиков (приемопередатчиков) в составе оборудования подвижной связи: пространственное сложение сигналов, мостовое (схемное) сложение, частотное уплотнение и схемно-пространственное сложение.
Оборудование объединения, в зависимости от конкретных тактико-технических и конструктивных требований, может использовать все или некоторые из перечисленных выше способов мультиплексии в различных сочетаниях, однако схемно-пространственный способ объединения приемопередатчиков с использованием многоплечих устройств перераспределения и многовходовых антенн является наиболее перспективным для объектов систем специальной связи с подвижными объектами, так как сочетает в себе достоинства пространственной и схемной мультиплексии: реализуемость КПД, близкого к единице, при широком выборе допустимых условий размещения антенн и отсутствии принципиальных ограничений на реализуемую развязку передатчиков.
В работах В.Д. Кузнецова, Ю.Н. Носова, Д.М. Трусканова, А.Ф. Иванова, D.E.N. Davies'a, А.Д. Корнеева показана возможность реализации схемно-простанственной мультиплексии на основе применения кольцевой антенной решетки (КАР), возбуждаемой диаграммообразующей схемой (ДОС) типа матрицы Батлера. Однако в работах указанных авторов известными методами решены лишь отдельные частные задачи для некоторых конкретных вариантов построения КАР и ДОС. Не создана полная система проектирования многовходовых всенаправленных КАР, включающая вывод основных соотношений для пространственных и энергетических характеристик системы КАР-ДОС, оптимальные схемы построения и расчетные соотношения для их проектирования. Неплохо изучены преимущественно ДОС в виде матриц Батлера с числом входов, равным числу выходов и составляющем целую степень двойки. В го же время, достаточно часто необходимы диаграммообразующие матрицы с иным, в том числе нечетным числом входов, а существующие способы их синтеза дают результаты, явно избыточные с точки зрения числа элементов. Явно избыточны также известные варианты больших ДОС, работающих совместно с КАР, в которых число входов с круговой диаграммой направленности (ДН) составляет не более половины от общего числа излучателей в этаже КАР.
В работах Д.М. Сазонова, В.А. Мишустина, Н.П. Полищука, и др. авторов разработана матричная теория антенных решеток, в рамках которой решек ряд важных задач анализа и синтеза многолучевых решеток и возбуждающих их ДОС. В ряде работ, применительно к подобным задачам, рассмотрены вопросы развязки между входами, в том числе и при связанных излучателях. Однако указанные работы были направлены на решение задач, не связанных с объединением сигналов и изотропным излучением, а созданный в них аппарат не может быть успешно использован, применительно к проблеме схемно-пространственного сложения некогерентных сигналов, решаемой в настоящей работе.
Основные энергетические характеристики сложных многополюсных цепей рассмотрены в грудах О.В. Алексеева, Г.Г. Чавки, СЕ. Лондона, СВ. Томашевича и других авторов, однако в этих трудах не нашла отражение специфика применения разработанных общих соотношений для соединений типа ДОС-КАР, осуществляющих изотропную схемно-пространственную мультиплексию.
Комплекс экологических вопросов электромагнитного излучения был рассмотрен в работах В.А. Романова и Ю.М Сподобаева. В частности, были подробно рассмотрены вопросы электромагнитного мониторинга нескольких частотных диапазонов, использован комплексный подход к проблемам электромапштной безопасности, но только для средств телевидения и ЧМ вещания. Однако, концептуального подхода к решению проблем электромагнитной экологии при совокупном воздействии ЭМП разных частотных диапазонов с одновремешшм покрытием одной и той же территории (т.е. технические средства различных диапазонов сосредоточены в одном месте) до настоящего времени не существовало. Кроме того, вопросы электромагнитной экологии были рассмотрены указанными авторами изолированно, вне непосредственной связи с задачами проектирования многовходо-вых многочастотных излучающих систем.
Общей особенностью состояния вопроса в рассматриваемой области является отсутствие комплексного подхода к проблеме объединения радиосредств. До настоящего времени оборудование, обеспечивающее объединение радиосредств, рассматривалось как совокупность отдельных составных частей: антенн, антенно-фидерного тракта, фидерно-фильтрующих и мостовых устройств, антенных разделителей и т.д. Однако многолетний опыт автора в области создания антенно-фидерных устройств свидетельствует, что назрела необходимость выделить антенно-фидерную систему и технические средства объединения приемопередатчиков в целостную радиотехническую систему и рассматривать антенно-фидерный тракт объекта как комплекс объединения радиосредств (КОРС), к которому предъявляются технические и санитарно-гигиенические требования, соответствующие всей совокупности основных и дополнительных (включая сервисные) функций, связанных с объединением радиосредств, излучением (приемом) радиосигналов и безопасной эксплуатацией объектов.
КОРС должен реализовывать оптимальное для заданных технических, конструктивно-технологических (включая условия размещения) и специальных (включая санитарно-гигиенические) требований сочетание способов объединешм, структурных, принципиальных, технических и компоновочных решений. При этом в качестве основного способа объединения радиосредсгв, как было отмечено выше, должна рассматриваться схемно-пространственная мультиплексия, а остальные способы (мостовой, фильтро-
7 мостовой и пространственный) используются в необходимых случаях как вспомогательные.
Комплексный подход к решению поставленной проблемы требует создания целостной теории изотропной схемно-пространственной мультип-лексии, разработки принципов и методов анализа и проектирования КОРС, включая вывод соотношений, которые позволили бы определить достижимые характеристики КОРС, совершенствования методик проектирования составных частей КОРС, решения вопросов электромагнитной экологии.
Цель работы - разработка теории изотропной схемно-пространственной мультиплексии, основ проектіфования комплексов объединения радиосредств (КОРС), включая критерии и методы разработки структуры, составных частей и базовых элементов; создание на этой основе новых многоканальных комплексов с высокими тактико-техническими и санитарно-гигиеническими показателями для использования в составе систем специальной связи с подвижными объектами.
Программа исследований
-
Разработка теории изотропной схемно-пространственной мультиплексии ансамбля некогерентных генераторов. Вывод основных пространственно-энергетических соотношений. Разработка методов анализа пространственно-энергетических характеристик схемно-пространствеїшого мультиплексера.
-
Разработка метода выбора структуры КОРС, разработка оптимальных структурных схем и методов проектіфования многоканальных КОРС при различных сочетаниях рабочих частот (диапазонов) и требованиях к основным пространственным и энергетическим характеристикам.
-
Разработка методик проектіфования составных частей комплексов и их базовых элементов.
-
Разработка санитарно-гигиенических норм, методик прогнозирования и контроля уровней электромагнитного поля, а также методов защиты окружающей среды и человека от воздействия ЭМП в местах размещения технических средств связи.
8 5. Разработка и техническая реализация комплексов объединения радиосредств центральных (городских и вынесенных) радиоцентров, а также быстроразворачиваемых и мобильных станций систем специальной связи с подвижными объектами высокими тактико-техническими и санитарно-гигиеническими показателями.
Методы исследования: гармонический анализ в пространственной области, аналитический аппарат электродинамики, аппарат теории линейных электрических цепей в терминах волновых матриц, численные методы расчета и анализа, численные методы оптимизации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Создана теория изотропной схемно-пространственной мультип-лексии ансамбля некогерентных генераторов. Введены понятия обобщенного коэффициента усилешш и азимутальной дисперсии как интегральных пространственно-энергетических характеристик КОРС, образующие в совокупности единый критерий его эффективности. Сформулирована и доказана основная теорема изотропной схемно-пространственной мультиплексии, устанавливающая необходимые и достаточные условия сходимости ДН. Сформулированы и доказаны теоремы об эквивалентном кольцевом излучателе, о предельных реактивных потерях, о предельных диссипативных потерях.
-
Разработан новый метод анализа КАР схемно-пространственного мультишексера (СПМ), основанный на разложении ДН по ортогональному базису азимутальных гармоник, эквивалентном представлению КАР в виде суперпозиции эквивалентных кольцевых излучателей (ЭКИ). Впервые введены и табулированы функционалы, описывающие свойства ЭКИ и позволяющие выразить основные пространственные и энергетические характеристики КАР СПМ.
-
Проведен анализ ДОС СПМ. Установлены основные типы ДОС, реализующие модовый режим возбуждения КАР; выполнен анализ согласованной и согласующей ДОС. Разработаны принципы декомпозиции ДОС; доказаны соответствующие редукционные теоремы.
-
Обоснованы принципы и методы выбора структуры КОРС, оптимальной для соответствующего комплекса тактико-технических и конструктивных требований, включая требования по условиям размещения. Разработаны методики проектирования согласованных и согласующих ДОС на основе их редукционной декомпозиции.
-
Разработана концепция гигиенического нормирования и мониторинга ЭМП технических средств систем связи с подвижными объектами. Предложен активный метод защиты окружающей среды и человека от воздействия ЭМП, заключающийся с изменеіши характеристик излучающих антенн. їі:
Практическая цеппость
-
В диссертации на единой методологической основе решены задачи анализа, моделирования и проектирования КОРС, их составных частей и базовых элементов. Методики доведены до расчетных формул, таблиц, графиков и алгоритмов проектирования.
-
Приложения общей теории, разработанные математические модели и методики позволили получить новые структурные схемы КОРС и новые технические решения составных частей, защищенные патентами.
3. Разработаны санитарно-гигиенические нормативы предельно-
допустимых уровней ЭМП, соответствующие методики контроля и прогно
зирования, организационно-технические меры по защите человека от воз
действия ЭМП.
4. Разработаны новые, не имеющие аналогов, системные, схемотех
нические, компоновочные и конструктивные решения для КОРС городских
и вынесенных радиоцентров, а также мобильных и быстроразворачиваемых
станций систем специальной связи с подвижными объектами.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы использованы для создания приемо-передающих КОРС для центральных крупнозоновых, центральных радиальных и подвижных (мобильных и быстроразворачиваемых) станций
систем специальной связи с подвижными объектами. Разработанные КОРС применены:
-
при модернизации центральной станции СПС "Роса-Д" (г. Москва) - шделия "ГРЦ2-0", "ГРЦ2-Р", "ГРЦ2-3" общей канальной емкостью 72 радиоканала;
-
при модернизации линейных станций КТС "Кавказ-4", СПС "Роса-Д" (Подмосковье, г. Кисловодск) - изделия "Стрела-Р", "Стрела-К", "Ко-нус-Р", "Конус-К", "Пирамида";
-
при модернизации выездных узлов связи (быстроразворачивае-мые станции) - изделия "Дипломат-К", "Дишюмат-Р";
-
при модернизации автомобильного КТС "Орбита-2" системы "Кавказ-7" - изделия "Абонент" и "АФУ-М";
-
при модернизации радиоцентра "Вымпел" системы "Кавказ-7" -изделия "АФУ-К7М10" и "УОР-2В" общей канальной емкостью 48 радиоканалов.
Разработанные изделия приняты на вооружение ФАПСИ, ФСО, МО и других федеральных служб и ведомств России.
Использование результатов диссертационной работы позволило в несколько раз увеличить число радиоканалов действующих центральных станций при сохранении зон обслуживания и, тем самым, избежать строительства нозых антенно-мачтовых сооружений.
Разработанные санитарно-гигиенические нормативы предельно допустимых уровней ЭМП и соответствующие методики расчетного и инструментального контроля и прогнозирования легли в основу девяти действующих нормативных документов (Санитарные правила и нормы, Гигиенические нормативы, Методические указания), утвержденных и введенных в действие Госкомсанэпиднадзом РФ.
Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.
Апробация результатов работы и публикации
Основные положения и результаты работы докладывались на Всесоюзных и республиканских семинарах "Антенно-фидерные тракты и СВЧ компоненты систем связи" (Фрунзе, 1986 г.), "Согласующие и развязываю-
щие устройства УВЧ диапазона" (Севастополь, 1987г.), конференции про
фессорско-преподавательского состава МИС (1989г.), Производственно-
техническом семинаре "Перспективы развития технических средств радио
телевизионного вещания в XIII и XIV пятилетках" (Миасс,1990), 2-й Меж
дународной Конференции и Выставке "Спутниковая связь" (Москва, 1996),
XXVII Научно-технической конференции "Теория и техника антенн" (Мо
сква, 1994), Научно-технической конференции профессорско-
преподавательского и инженерно-технического состава ПИИРС (Самара,
1995 г.), Российской научно-технической конференции, посвященной 40-
летию ПИИРС (Самара, 1996 г.), 1-м Международном конгрессе "Слабые и
сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" (Санкт-Петербург,
1997 г.), 1-й научно-технической конференции "Проблемы электромагнит
ной экологии и охрана окружающей среды" (Ульяновск, 1997 г.). Автором
по теме диссертации написаны 2 монографии, изданные центральным изда
тельством, разработаны 9 действующих нормативных документов, опубли
кованы 16 научных статей, 7 публикаций в форме тезисов докладов, мето
дическая разработка. Результаты диссертационных исследований отражены
в 5 эскизных, эскизно-технических и технических проектах, а также в тех
нической документации 14-ти разработанных изделий. Новые технические
решения защищены двумя патентами.
Объем и структура работы