Прогнозирование флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех для обеспечения внутрисистемной электромагнитной совместимости на подвижных объектах радиосвязи
На правах рукописи
ЛАЗАРЕВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ЛИНЕЙНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХ КОНТАКТНЫХ РАДИОПОМЕХ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВНУТРИСИСТЕМНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ НА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТАХ РАДИОСВЯЗИ Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена на кафедре “Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы” Московского государственного института электроники и математики (технического университета) кандидат технических наук, профессор
Научный консультант:
Грачев Николай Николаевич доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Балюк Николай Васильевич кандидат технических наук, доцент Левин Алексей Павлович Федеральное государственное унитарное Ведущее предприятие:
предприятие научно «Московский исследовательский радиотехнический институт», г. Москва
Защита состоится « 16 » апреля 2009 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики по адресу:
109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., д. 3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ.
Автореферат разослан « » марта 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор Н.Н. Грачев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Обеспечение надежной и устойчивой радиосвязи с подвижных объектов неразрывно связано со знанием помеховой обстановки, характеризующейся многообразием видов помех и путей их воздействия на радиоприем. Тщательное изучение помеховой обстановки становится все более необходимым из-за постоянного увеличения плотности размещения радиоэлектронных средств (РЭС) на ограниченном пространстве подвижных объектов (ПО) радиосвязи (корабли, самолеты, автомашины, железнодорожные составы и др.), приводящего к увеличению уровня взаимных помех, нарушающих нормальную совместную работу этих средств. Наряду с этим происходит увеличение мощностей излучения радиопередатчиков, повышение чувствительности радиоприемников, расширение частотного диапазона их работы.
Все перечисленное приводит к возрастающей сложности решения проблемы обеспечения внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС) на ПО радиосвязи.
Эта ситуация еще более усложняется из-за наличия на ПО большого количества соединенных между собой металлических элементов, образующих систему принципиально неустранимых электрических разъемных контактных соединений (РКС), приводящих к образованию широкополосных излучаемых контактных радиопомех (КРП) при организации двусторонней радиосвязи в движении.
Проблеме образования КРП посвящено небольшое число работ как у нас в стране, так и за рубежом. Вопросы теоретического и практического характера отражены в работе Клементенко А.Я., Панова Б.А., Свешникова В.Ф., практические исследования освещены в работах Венскаускаса К.К., Крестьянинова В.В., Лютова С.А., Кравченко В.И., Григорьева А.Г., Матисена А.И., Патрина В.С., а также в работах зарубежных авторов, таких как Wankowicz S., Cooper J.C., Elsner R.F., Henkel R., Mealey D., Martin R.H. и других.
Этот вид радиопомех специалистами по радиосвязи обнаружен относительно давно. Во время прослушивания они проявляются в виде треска и шума за счет протекания высокочастотного тока через несовершенные переменные контакты, неплотные или подверженные коррозии механические сочленения. Вместе с тем наиболее высокие и продолжительные уровни внешних механических и коррозионных воздействий, являющихся причинами появления КРП, оказываются на электрические и механические элементы конструкций систем радиосвязи, размещаемых на ПО.
Из-за своей широкополосности и достаточно высоких уровней КРП оказывают существенное влияние на радиоприем сигналов на ПО. Поэтому без детального изучения КРП и разработки эффективных способов борьбы с ними трудно обеспечить надежную и устойчивую радиосвязь с ПО. До сих пор теоретическому исследованию этого вопроса уделялось недостаточно внимания. Проблема борьбы с КРП заслуживает отдельного рассмотрения.
Специфический характер организации радиосвязи в условиях действия КРП изучен недостаточно полно, что является одной из основных причин, препятствующих более быстрому развитию железнодорожной, корабельной, автомобильной и самолетной радиосвязи.
Сложность решения проблемы обеспечения внутрисистемной ЭМС на ПО радиосвязи определяется необходимостью учета множества факторов. Решение проблемы обеспечения внутрисистемной ЭМС начинается с этапа проектирования ПО и построения его системы радиосвязи, при разработке и подборе соответствующих средств радиосвязи с необходимыми параметрами, и продолжается в течение всего его жизненного цикла.
Таким образом, актуальной задачей является дальнейшее теоретическое исследование и прогнозирование спектрально-энергетических характеристик (СЭХ) КРП при проектировании и эксплуатации систем радиосвязи ПО с практической направленностью полученных результатов для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
Цель и задачи работы. Целью данной работы является уточнение электромагнитной обстановки на подвижных объектах радиосвязи, за счет разработки метода прогнозирования спектрально-энергетических характеристик флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех при проектировании и эксплуатации систем радиосвязи, для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы и решены следующие задачи:
1. Систематизация существующих теоретических и практических исследований в области импульсных и флуктуационных, линейных и нелинейных контактных радиопомех;
2. Разработка детерминированных и вероятностных нелинейно параметрических моделей электрического тока, проходящего через разъемные контактные соединения, подверженные воздействию вибрационных механических и коррозионных факторов;
3. Разработка детерминированных и вероятностных моделей флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех от конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, в ближней и дальней зонах излучения;
4. Разработка методики прогнозирования спектрально-энергетических характеристик флуктуационных контактных радиопомех с целью уточнения электромагнитной обстановки на подвижных объектах радиосвязи и обеспечения их внутрисистемной ЭМС;
5. Разработка программного обеспечения по расчету спектрально энергетических характеристик флуктуационных контактных радиопомех;
6. Экспериментальное исследование излучаемых флуктуационных контактных радиопомех от конструкции, содержащей типовое разъемное контактное соединение.
Методы исследования. В процессе решения поставленных задач использованы принципы системного подхода, методы математического моделирования, методы теорий параметрической чувствительности и макромоделирования, электромагнитной совместимости, радиотехнических цепей и электромагнитного поля, методы теории статистической радиотехники, методы интегрального и дифференциального исчисления, принципы объектно ориентированного программирования, экспериментальные методы исследований.
Достоверность проведенных исследований и обоснованность полученных результатов. Достоверность проведенных исследований и обоснованность полученных результатов подтверждается математической строгостью утверждений, корректностью математических моделей, обоснованным выбором методов исследований адекватных поставленным задачам, согласованностью с известными подходами и результатами в отечественной и зарубежной литературе, результатами экспериментальной проверки. Практика внедрения результатов в ряде предприятий и организаций также подтверждает их достоверность.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы определяется следующим:
1. Разработаны детерминированная и вероятностная нелинейно параметрические модели электрического тока, проходящего через разъемные контактные соединения, подверженные воздействию вибрационных механических и коррозионных факторов;
2. Разработаны детерминированная и вероятностная модели флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех от конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, в ближней и дальней зонах излучения;
3. Разработана методика прогнозирования спектрально-энергетических характеристик флуктуационных контактных радиопомех с целью уточнения электромагнитной обстановки на подвижных объектах радиосвязи для обеспечения их внутрисистемной ЭМС;
4. Разработана структура и алгоритм программной реализации метода прогнозирования и управления спектрально-энергетическими характеристиками флуктуационных контактных радиопомех;
5. Разработана методика измерения спектрально-энергетических характеристик флуктуационных контактных радиопомех и построения их эксплуатационных макромоделей.
На защиту представляются следующие научные результаты:
1. Детерминированная и вероятностная нелинейно-параметрические модели электрического тока, проходящего через разъемные контактные соединения, подверженные воздействию вибрационных механических и коррозионных факторов;
2. Детерминированная и вероятностная модели флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех от конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, в ближней и дальней зонах излучения;
3. Методика прогнозирования спектрально-энергетических характеристик флуктуационных детерминированных и вероятностных, линейных и нелинейных контактных радиопомех с целью уточнения электромагнитной обстановки на подвижных объектах радиосвязи для обеспечения их внутрисистемной ЭМС;
4. Структура и алгоритм программной реализации метода прогнозирования и управления спектрально-энергетическими характеристиками флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех с применением методов параметрической чувствительности и макромоделирования;
5. Методика измерения спектрально-энергетических характеристик флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех и построения их эксплуатационных макромоделей с целью формирования рекомендаций по физическим и пространственно-геометрическим параметрам конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, на подвижных объектах радиосвязи и формулирования технических требований по допустимым режимам внешних механических и коррозионных воздействующих факторов на разъемные контактные соединения.
Личный вклад. Все результаты, отражающие новизну в диссертации, включая программное обеспечение, получены автором лично.
Практическая ценность. Практическая ценность работы состоит в том, что:
систематизированы теоретические и практические исследования в области КРП для задач прогнозирования, измерения и подавления их характеристик;
разработанные математические модели, методики и программное обеспечение доведены до уровня, обеспечивающего возможность их практического применения для уточнения ЭМО на ПО радиосвязи и обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены в практику проектирования и испытаний в Московском научно-исследовательском телевизионном институте (ЗАО «МНИТИ») при разработке и испытаниях блоков приемников и передатчиков радиоаппаратуры изделий Т1А-02, Т1Б-02.
Научные результаты диссертационной работы нашли практическое применение в Научно-исследовательском институте информационных систем и телекоммуникаций (ООО «НИИИСТ»), где используются для выполнения проектных процедур, связанных с разработкой и испытанием бортовой радиоэлектронной аппаратуры в части обеспечения ее внутрисистемной ЭМС.
Результаты диссертационной работы также используются в учебном процессе на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» ГОУВПО МГИЭМ при подготовке инженеров по специальностям «Проектирование и технология РЭС», 210202 «Проектирование и технология ЭВС» групп Р-91 по курсу «Методы и устройства испытаний ЭВС» и РС-71 по курсу «Защита РЭС от дестабилизирующих факторов».
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4 международных и 7 российских научно технических конференциях, а также на научно-технических семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ с по 2009 гг.
Публикации результатов работы. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 21 печатной работе, в числе которых монография, 1 методическое указание к лабораторным работам, 7 статей (из них статьи в журналах, включенных в список ВАК), 11 тезисов докладов, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. В ходе решения поставленных задач автором было получено оригинальное техническое решение, подтвержденное положительным решением РОСПАТЕНТа о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2008110414 «Способ исследования свариваемости контактных материалов».
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 184 страницах машинописного текста, включая список использованных литературных источников, содержащий 140 наименований, и приложений, содержащих результаты проведенных экспериментальных исследований, акты о внедрении результатов диссертационной работы, копию свидетельства о государственной регистрации разработанной программы в Реестре программ для ЭВМ, копию положительного решения РОСПАТЕНТа о выдаче патента РФ на изобретение.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность исследовательских работ по анализу и прогнозированию КРП на ПО радиосвязи. Приводится цель исследования и конкретные задачи, направленные на ее достижение, указываются методы исследования, формулируется научная новизна и практическая полезность работы, приводится логическая связь и краткое содержание глав диссертационной работы.
В первой главе систематизированы сведения о теоретических и практических исследованиях в области импульсных и флуктуационных, линейных и нелинейных КРП. Даются общие сведения о помеховой обстановке на ПО радиосвязи, анализируется природа возникновения КРП, раскрывается их физическая сущность.
Рис. 1. Типовая схема механизма возникновения КРП на подвижных объектах радиосвязи КРП образуются в результате воздействия электромагнитного поля мощных радиопередатчиков ПО на его проводящие конструкции, содержащие РКС, подверженные механическим и коррозионным воздействиям, и переизлучения этими конструкциями существенно измененного по структуре электромагнитного поля, имеющего значительный уровень на входе бортовых радиоприемных устройств (рис. 1).
В главе проведен анализ практических исследований и измерений СЭХ кондуктивных и излучаемых КРП, выявляющий основные закономерности в структуре их образования, который показал, что интенсивность последних достаточно высока (до 100 дБмкВ/м), а занимаемая полоса достаточно широка (единицы МГц в диапазонах СЧ-УВЧ), чтобы серьезно сказаться на обеспечении внутрисистемной ЭМС на ПО радиосвязи. Вместе с тем анализ теоретических исследований в области КРП показал, что данная тема остается недостаточно глубоко изученной, а существующие математические модели СЭХ КРП далеки от практического применения. Существующие теоретические исследования позволили сформировать иную форму и структуру математических моделей КРП, обладающих большей универсальностью.
На основе проведенных исследований сформулирована цель диссертационной работы и поставлены задачи, которые необходимо решить для ее достижения.
Во второй главе рассмотрено преобразование электрического тока, протекающего по облучаемой электромагнитным полем проводящей конструкции, содержащей РКС, подверженные воздействию вибрационных механических и коррозионных факторов.
Рис. 2. Заземление верхнепалубных устройств с помощью РКС в виде пластинчатой пружины, подвергающейся механическому и коррозионному воздействиям (а);
эквивалентная механическая (б) и эквивалентная электрическая модели переходной зоны такого РКС (в) Рассмотрим облучаемую электромагнитным полем конструкцию, содержащую типовое РКС, на примере системы заземления верхнепалубных устройств морских судов с помощью пластинчатой пружины (рис. 2, а). При воздействии вибрационных механических и коррозионных факторов на такое РКС его первичные переходные электрические параметры за счет образующейся коррозионной пленки становятся нелинейными относительно наведенного сигнала, а за счет неидеальной контактной жесткости при наличии вибрации – параметрическими.
Эквивалентная механическая модель такого РКС может быть представлена в виде распределенной механической системы с двумя степенями свободы (рис. 2, б).
Ей соответствует система нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка. На рис. 2, в представлена соответствующая эквивалентная нелинейно параметрическая электрическая модель переходной зоны РКС. Она описывается системой нелинейно-параметрических дифференциальных уравнений второго порядка.
Рис. 3. Последовательное нелинейно-параметрическое преобразование спектрально энергетических характеристик наведенного электрического тока, проходящего через РКС, подвергающиеся вибрационному механическому и коррозионному воздействиям Удобно преобразование наводимого в конструкции сигнала рассматривать как последовательные нелинейное безынерционное, а затем параметрическое инерционное преобразования (рис. 3). При этом можно ввести понятия о соответственно нелинейной и динамической нестабильностях первичных переходных электрических параметров РКС.
Совместное рассмотрение механической и электрической моделей РКС приводит к решению следующей формализованной системы уравнений для каждого элементарного j-того контактного участка:
U кj (t ) = U Rj (t ) + U Lj (t ) dU Rj (t ) I RLj (t ) = R (U (t ),,0) кj Rj dLкj ( I RLj (t ),,0) dI RLj (t ) U Lj (t ) = I RLj (t ) + Lкj ( I RLj (t ),,0) dt dt dCкj (U кj (t ),,0) dU кj (t ) I Cj (t ) = U кj (t ) + C кj (U кj (t ),,0) dt dt I (t ) = I (t ) + I (t ) кj RLj Cj I (t ) I (t ) K нел (, R кj (U Rj (t ),,0), Lкj ( I RLj (t ),,0), C кj (U кj (t ),,0)) = K RLj + K Cj = RLj + Cj & & нел & нел & = K j (, R кj (U Rj (t ),,0), Lкj ( I RLj (t ),,0), C кj (U кj (t ),,0)) j I кj (t ) I кj (t ) n n dz 2 j (t ) dz (t ) d 2 z 2 j (t ) + b2 j 2 j bкj (h j (t )) 1 j + (k кj ( h j (t )) + k 2 j )z 2 j (t ) k кj (h j (t )) z1 j (t ) = k 2 j z (t ) + b2 j dz(t ) dz (t ) + bкj ( h j (t )) m2 j dt dt dt dt 2 dt n n m d z1 j (t ) + b (h (t )) dz1 j (t ) + b dz1 j (t ) b ( h (t )) dz2 j (t ) + (k ( h (t )) + k )z (t ) k ( h (t )) z (t ) = k z (t ) + b dz(t ) 1j 1j dt dt кj кj кj кj j 1j j j 1j 1j j 2j 1j dt dt 2 dt h j (t ) = z1 j (t ) z 2 j (t ) & пар & K j (, Rкj (0,, h j (t )), Lкj (0,, h j (t )), C кj (0,, h j (t ))) = K j (, R кj (0,, h j (t )), Lкj ( 0,, h j (t )), C кj (0,, h j (t ))) K (, R, L, C ) = R кj + (Lкj ) Rкj C кj Lкj C кj Lкj + j (C кj Rкj C кj Lкj R кj ) 2 2 22 4 3 3 3 & кj кj кj ((1 2 C кj Lкj ) 2 + 2 Rкj C кj ) ( Rкj + (Lкj ) 2 ) RLj 2 2 C кj Lкj + C кj Rкj Lкj C кj + jC кj Rкj 422 22 2 & K Cj (, Rкj, Lкj, C кj ) = (1 2 C кj Lкj ) 2 + 2 Rкj C кj 2 & dK пар (t ) K (, R, L, C ) = K (, R, L, C ) + K (, R, L, C );
& & & & & & & K общ (t ) = K нел (t ) K пар (t ) + K нел (t ) j j кj кj кj кj кj кj кj кj кj RLj Cj j j j j dt & общ I 1... Nj (t ) = I 1...Lj (t ) K j (t ) & где K j – полный коэффициент передачи по току контактного перехода j-того & участка;
K RLj – коэффициент передачи по току индуктивной ветви контактного & перехода j-того участка;
K Cj – коэффициент передачи по току емкостной ветви контактного перехода j-того участка;
– частота проходящего сигнала;
Rкj (U Rj (t ),, h j (t )) – переходная резистивность контактного перехода j-того участка;
Cкj (U кj (t ),, h j (t )) – переходная емкость контактного перехода j-того участка;
Lкj ( I RLj (t ),, h j (t )) – переходная индуктивность контактного перехода j-того участка;
U кj (t ) – напряжение на контактном переходе j-того участка;
U Rj (t ) – напряжение на резистивности контактного перехода j-того участка;
U Lj (t ) – напряжение на индуктивности контактного перехода j-того участка;
I RLj (t ) – ток в индуктивной ветви контактного перехода j-того участка;
I Cj (t ) – ток в емкостной ветви контактного перехода j-того участка;
I кj (t ) – полный ток контактного перехода j-того &j; участка;
K нел (t ) – полный коэффициент передачи по току контактного перехода j того участка, характеризующий его нелинейную нестабильность;
m1j и m2j – эквивалентные сосредоточенные массы контактирующих элементов j-того участка;
z1j(t) и z2j(t) – эквивалентные перемещения контактирующих элементов j-того участка;
bкj(hj(t)), b1j и b2j – соответственно эквивалентные коэффициенты диссипации контактного перехода и контактирующих элементов j-того участка;
kк(hj(t)), k1, k2 – соответственно эквивалентные жесткости контактного перехода и контактирующих элементов j-того участка;
z(t) – функция внешнего кинематического механического воздействия;
n – степень зависимости диссипативной силы от скорости перемещения;
hj(t) – сближение контактирующих &j; элементов j-того участка;
K пар (t ) – полный коэффициент передачи по току контактного перехода j-того участка, характеризующий его динамическую &j; нестабильность;
K общ (t ) – обобщенный коэффициент передачи по току контактного перехода j-того участка;
I1... Lj (t ) – первичный наводимый ток j-того участка до нелинейно-параметрического преобразования;
I1... Nj (t ) – вторичный ток j-того участка после нелинейно-параметрического преобразования.
Представив наводимое электромагнитным полем напряжение в переходной зоне РКС в виде полигармонического сигнала:
[ ] L H U (t ) = U ml cos(l t + l ) = U mi cos(i t + i ) + U mj cos( j t + j ) h, l =1 h = L!
где H = – число парных сочетаний гармоник входного периодического 2!( L 2)!
электрического воздействия из L возможных;
i j, ток, образованный только нелинейностью контактного перехода РКС, равен:
M L H L I1KM (t ) = I mm cos(mt + m ) = I (U ml cos(l t + l )) = I ij (t )h ( L 2) I i (t ), (1) m =1 l =1 h =1 i = где i j ;
Iij(t)h=Iji(t)h – ток, образованный попарно действующими гармоническими напряжениями с частотами i, j для каждого сочетания h, равный [ ] I ij (t ) h = (I mm cos (a i ± b j )t + a i ± b j ), A B a =0 b = где Imm=f(Rк0j, j, Ск0j, 1j, 2j, Lк0j, 1j, 2j, Umi, Umj) – амплитуда гармоник тока, прошедшего нелинейное преобразование;
Rк0j, Ск0j, Lк0j, j, 1j, 2j, 1j, 2j – соответственно начальные значения переходных параметров при отсутствии сигнала и их последующие коэффициенты аппроксимации;
a ± b = 1, 3, 5, 7... – порядок комбинационных частот, где a = 0, 1, 2, 3…A;
b = 0, 1, 2, 3…B;
Umi, Umj – амплитуды гармонических напряжений соответственно на частотах i, j;
i, j – постоянные фазы гармонических напряжений соответственно на частотах i, j;
Ii(t) – ток, образованный одиночно действующей гармоникой напряжения c частотой i, получающийся из Iij(t)h приравниванием Umj=0, j=0, j=0.
Нелинейная нестабильность переходных электрических параметров РКС ведет к расширению спектра наведенного тока за счет появления высших и комбинационных гармоник.
Рис. 4. Зависимости амплитуды модуля полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС от частоты внешнего механического воздействия для различных классов чистоты обработки (а): 1 – 3 класс;
2 – 7 класс;
3 – 10 класс;
от частоты проходящего сигнала для различных материалов контактирующих деталей (б): 1 – бронза;
2 – цинк;
3 – серебро Рис. 5. Значения линейных коэффициентов относительной чувствительности амплитуды модуля и фазы полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС к различным факторам При прохождении электрического тока через РКС, подверженное динамической нестабильности, происходит его амплитудно-фазовая модуляция.
Коэффициенты амплитудной и фазовой модуляции тока зависят от амплитуд изменений модуля и фазы полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС.
На рис. 4 представлены зависимости амплитуды модуля полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС от частоты внешнего механического воздействия для различных классов чистоты обработки соприкасающихся поверхностей и от частоты проходящего сигнала для различных материалов контактирующих деталей. Исследования показали, что наиболее значительной динамическая нестабильность полного коэффициента передачи по току РКС будет при введении конструкций, образующих РКС, в механический резонанс. Необходимо также учитывать зависимость полного коэффициента передачи по току РКС от частоты проходящего сигнала, которая может быть в общем случае немонотонной и иметь экстремумы.
В ходе исследований были получены численные модели функции параметрической чувствительности изменения амплитуд модуля и фазы полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС к различным факторам влияния. На рис. 5 представлены для сравнения линейные коэффициенты относительной параметрической чувствительности амплитуды модуля и фазы полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС к различным факторам.
Общий ток, образованный детерминированной динамической нестабильностью контактного перехода РКС, будет равен:
K2 N M K I1KN (t ) = I mn cos(nt + n ) = I mm 1 + Kak cos(k t + k ) cos mt + m + ak cos(k t + k ) = k =1 m= n=1 k = M G2 K = I pq (t ) g ( K 2 2) I p (t ), (2) m =1 g =1 p = K 2!
где G 2 = – число парных сочетаний гармоник изменения модуля полного 2!( K 2 2)!
коэффициента передачи по току из K2 возможных;
p q ;
Ipq(t)g=Iqp(t)g – ток, образованный попарно действующими изменениями с частотами p, q для каждого сочетания g, равный [ ] I pq (t ) g = (I mn cos (m ± c p ± d q )t + m ± c( p + p ) ± d ( q + q ) + pq ), C D c =0 d = где Imn=f(Imm, Kap, Kaq, ap, aq ) – амплитуда гармоник тока, прошедшего параметрическое преобразование;
c ± d = 0, 1, 2, 3... – порядок комбинационных частот, где c = 0, 1, 2, 3…C;
d = 0, 1, 2, 3…D;
Imm – амплитуда гармоник тока, прошедшего нелинейное преобразование, на частотах m из (1);
m – постоянная фаза гармоник тока на частоте m;
Kap, Kaq – амплитуды модуля полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС соответственно на частотах p, q;
ap, aq – амплитуды фазы полного коэффициента передачи по току контактного перехода РКС соответственно на частотах p, q;
p, p и q, q – постоянные фазы соответственно на частотах p и q;
pq – постоянная фаза для приведения к косинусному виду на соответствующей частоте;
Ip(t) – ток, образованный одиночно действующей гармонической частотой p, получающийся из Ipq(t)g приравниванием Kaq=0, aq =0, q=0, q =0, q =0.
Усредненная спектральная плотность мощности сигнала, образованного случайной динамической нестабильностью контактного перехода РКС, будет равна M G2 N K F1K N (t ) = Fn (n ) = Fpq ( ) g ( K 2 2) Fp ( ), m =1 g =1 n =1 p = где p q ;
Fpq()g=Fqp()g – спектральная плотность мощности сигнала, образованного попарно действующими стационарными узкополосными случайными процессами с центральными частотами p и q, равная [ ] C D Fpq ( ) g = n F w1n mp w2 n mq w3 n фp w4 n фq (m ± c p ± d q ), c =0 d = где n=f(Imm, mp, kmp, mq, kmq, фp, kфp, фq, kфq) – масштабный коэффициент;
mp, kmp, mq, kmq, фp, kфp, фq, kфq – соответственно среднеквадратические отклонения и коэффициенты пропорциональности уровня модуляции для узкополосных случайных процессов изменения соответственно модуля и фазы полного коэффициента передачи по току с центральными частотами p и q;
c ± d = 0, 1, 2, 3... – порядок комбинационных центральных частот, где c = 0, 1, 2, 3…C;
d = 0, 1, 2, 3…D;
Imm – амплитуда гармоник тока, прошедшего нелинейное преобразование, на частотах m из (1);
Fp() – спектральная плотность мощности сигнала, образованного одиночно действующим случайным процессом с центральной частотой p, получающаяся из Fpq()g приравниванием mq =0, kmq =0, mp mq фp фq фq =0, kфq =0, q=0;
например, F (m + p + q ) – сумма нормированных спектральных плотностей мощности сигнала с центральной частотой равной m+p+q и с общим индексом затухания равном –mp–mq–фp–фq, причем ( m + p + q + ) ;
( m + p + q ) = F ( m + p + q ) + F фp фq фp фq фp фq mp mq mp mq mp mq F mp, mq, фp, фq – соответственно коэффициенты затухания, аппроксимирующие коэффициенты автокорреляции Rmp(), Rmq() и Rфp(), Rфq() узкополосных случайных процессов изменения соответственно модуля и фазы полного коэффициента передачи по току с центральными частотами p и q;
w1n, w2n, w3n, w4n – соответствующие весовые коэффициенты.
Динамическая нестабильность приводит к дальнейшему расширению спектральных характеристик проходящего тока. Таким образом, совместное влияние детерминированной нелинейной и детерминированной или случайной динамической нестабильностей первичных переходных электрических параметров РКС приводит к образованию широкополосных, распределенных по частотному диапазону, детерминированных или случайных КРП.
В третьей главе рассматривается электродинамическое описание явлений возникновения ЭДС на конструкциях, содержащих РКС, под влиянием внешнего облучающего электромагнитного поля, а также исследование СЭХ излучаемых флуктуационных КРП. Также приводятся результаты разработки методики прогнозирования СЭХ излучаемых флуктуационных КРП, а также структура и алгоритм программной реализации метода прогнозирования и управления ими.
Расчет токов и напряжений, наведенных внешним электромагнитным полем на конструкциях, содержащих РКС, осуществляется на основе метода наведенных ЭДС с применением метода моментов, где в качестве базисных функций амплитудного распределения тока по конструкции используются кусочно синусоидальные. При этом облучаемую конструкцию и облучающие антенны аппроксимируют тонкопроволочными аналогами и сегментируют на элементарные кусочно-однородные электрические вибраторы. Задача сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений:
Z 11... Z 1N I1 U............ =..., Z N 1... Z NN IN UN где Z mn – сумма взаимного сопротивления излучения и волнового сопротивления или сопротивления нагрузки элементарного вибратора;
Z nn – сумма собственного сопротивления излучения и волнового сопротивления или сопротивления нагрузки элементарного вибратора;
In – неизвестные амплитуды токов;
Un – амплитуды напряжений, возбуждающие активные вибраторы;
количество N – взаимодействующих элементарных вибраторов.
При этом волновые сопротивления элементарных вибраторов, содержащих РКС, рассчитываются для случая независимости их от величины проходящего сигнала.
Рис. 6. Эквивалентная электрическая схема облучаемой конструкции, содержащей РКС Облучаемая конструкция, содержащая РКС, может быть представлена в виде кусочно-однородной длинной линии, отражающей ее физические особенности (рис.
6). После определения амплитудного распределения наведенного тока находится обобщенный коэффициент передачи по току РКС по приводимым выше формулам, и рассчитываются амплитудные распределения тока для вновь появившихся частот.
Далее производится новая сегментация переизлучающей конструкции, и рассчитываются напряженности электромагнитного поля флуктуационных КРП в точках радиоприема (рис. 7).
Рис. 7. Огибающая дискретного амплитудного спектра (а) и непрерывная амплитудная спектральная плотность (б) среднеквадратического значения напряженности электрического поля флуктуационных КРП одиночного РКС при моногармоническом облучении На основе разработанных моделей КРП сформирована методика по прогнозированию СЭХ излучаемых флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных КРП с целью уточнения ЭМО на ПО радиосвязи для обеспечения их внутрисистемной ЭМС (рис. 8).
Рис 8. Методика прогнозирования флуктуационных излучаемых КРП На основе разработанных моделей и методики прогнозирования сформирована структура и алгоритм функционирования программной реализации метода прогнозирования и управления СЭХ КРП. Структура разбита на функционально законченные программные модули, реализующие расчет механического режима, электродинамического режима, электрических характеристик и модуль расчета функций чувствительности КРП и построения их макромоделей (рис. 9). На основе данного алгоритма разработана программа по расчету СЭХ флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных КРП. Программа выполнена на языке C++ с учетом принципов объектно-ориентированного программирования.
В четвертой главе представлены экспериментальные исследования излучаемых флуктуационных КРП от конструкции, содержащей типовое РКС, с целью проверки разработанных моделей, алгоритмов и программных средств, а также оценки точности предложенных математических моделей. Также в главе приводится методическое обеспечение по измерению СЭХ излучаемых КРП от конструкций, содержащих типовые РКС, и получению их эксплуатационных макромоделей.
На рис. 10 представлена эскизная схема измерительной системы для экспериментального исследования излучаемых КРП от конструкций, содержащих типовые РКС, и построения их эксплуатационных макромоделей. На рис. 10: 1 – исследуемая контактная пара;
2 – излучающий контур;
3 – заземленная платформа вибростенда;
4 – вибростенд;
5 – перестраиваемый задающий генератор низкочастотных колебаний;
6 – усилитель мощности;
7 – «земляная» шина;
8 – виброизмерительный прибор;
9 – вибродатчик механических колебаний;
Рис. 9. Структура и алгоритм функционирования программной реализации метода прогнозирования и управления СЭХ флуктуационных КРП 10 – источник питания;
11 – осциллограф;
12 – перестраиваемый задающий генератор высокочастотных колебаний;
13 – приемная (измерительная) антенна;
– селективный микровольтметр;
R – постоянный измерительный резистор;
С1, C2 – конденсаторы переменной емкости;
r – радиус излучающего контура;
L – расстояние между излучающим контуром и приемной (измерительной) антенной;
H – расстояние между нижней точкой приемной (измерительной) антенны и землей.
Рис. 10. Измерительная система для экспериментального исследования излучаемых КРП и построения их эксплуатационных макромоделей Под эксплуатационными макромоделями флуктуационных КРП понимаются аппроксимированные функциональные зависимости (связи вход-выход) измеренных значений амплитуд напряженности КРП от двух переменных воздействующих факторов с представлением ее в трехмерном виде. Разработанная измерительная система позволяет имитировать эксплуатационные условия, имеющие место на ПО радиосвязи, и по построенным эксплуатационным макромоделям оценивать уровень КРП и допустимые значения различных воздействующих факторов на РКС.
Рис. 11. Амплитуда напряженности электрического поля флуктуационных КРП при различных уровнях механических и электрических нагрузок на исследуемое болтовое соединение Экспериментальному исследованию была подвергнута конструкция, содержащая болтовое соединение. При этом оно исследовалось при различных условиях его эксплуатации: различные значения постоянного контактного усилия, различные уровни кинематического механического воздействия, различные уровни и частоты проходящего электрического тока. На рис. 11 приведены измеренные амплитудно-частотные характеристики КРП (точки) и их теоретические значения (пунктирные линии) при различных уровнях электрических и механических нагрузок на РКС для трех значений постоянного контактного усилия.
Рис. 12. Методика измерения СЭХ КРП и построения их эксплуатационных макромоделей Результаты измерений сравнивались с теоретическими расчетами по разработанным моделям. Вследствие чего разработанные модели показали удовлетворительную точность (до 20%) и пригодность к практическому использованию по прогнозированию СЭХ излучаемых флуктуационных КРП с целью уточнения ЭМО на ПО радиосвязи для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
На основе проведенных экспериментальных исследований была разработана методика измерения СЭХ флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных КРП и построения их эксплуатационных макромоделей с целью формирования рекомендаций по физическим и пространственно-геометрическим параметрам конструкций, содержащих РКС, на ПО радиосвязи и формулирования технических требований по допустимым режимам внешних механических и коррозионных воздействующих факторов на РКС (рис. 12).
В заключении перечислены основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.
В приложениях представлены дополнительная информация и документация, использованные в диссертационной работе: результаты проведенных экспериментальных исследований, акты о внедрении результатов диссертационной работы, копия свидетельства об официальной регистрации разработанной программы в Реестре программ для ЭВМ, положительное решение РОСПАТЕНТа о выдаче патента РФ на изобретение.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Систематизированы существующие теоретические и практические исследования в области импульсных и флуктуационных, линейных и нелинейных контактных радиопомех.
2. Разработаны детерминированная и вероятностная нелинейно параметрические модели электрического тока, проходящего через разъемные контактные соединения, подверженные воздействию вибрационных механических и коррозионных факторов.
3. Получены численные модели функции параметрической чувствительности динамической нестабильности полного коэффициента передачи по току разъемного контактного соединения к различным воздействующим факторам.
4. Разработаны детерминированная и вероятностная модели флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех от конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, в ближней и дальней зонах излучения.
5. Разработана методика прогнозирования спектрально-энергетических характеристик флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех с целью уточнения электромагнитной обстановки на подвижных объектах радиосвязи для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
6. Разработана структура и алгоритм функционирования программной реализации метода прогнозирования и управления спектрально-энергетическими характеристиками флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех с применением методов параметрической чувствительности и макромоделирования.
7. В соответствии с принципами объектно-ориентированного программирования разработана программа по расчету спектрально-энергетических характеристик флуктуационных линейных и нелинейных контактных радиопомех.
8. Выполнены экспериментальные исследования амплитудно-частотных характеристик излучаемых флуктуационных детерминированных контактных радиопомех от конструкции, содержащей болтовое разъемное контактное соединение, с целью проверки разработанных моделей, методик, алгоритмов и программных средств, и подтверждена правомерность их применения для уточнения электромагнитной обстановки на подвижных объектах радиосвязи для обеспечения их внутрисистемной ЭМС.
9. Разработана методика измерения спектрально-энергетических характеристик флуктуационных линейных и нелинейных, детерминированных и вероятностных контактных радиопомех и построения их эксплуатационных макромоделей с целью формирования рекомендаций по физическим и пространственно-геометрическим параметрам конструкций, содержащих разъемные контактные соединения, на подвижных объектах радиосвязи и формулирования технических требований по допустимым режимам внешних механических и коррозионных воздействующих факторов на разъемные контактные соединения.
10. Получено оригинальное техническое решение, подтвержденное положительным решением РОСПАТЕНТа о выдаче патента РФ на изобретение по заявке № 2008110414 «Способ исследования свариваемости контактных материалов».
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Грачев Н.Н., Лазарев Д.В. Влияние контактных помех при 1.
обеспечении электромагнитной совместимости на подвижных объектах радиосвязи // «Технологии электромагнитной совместимости»: Научно технический журнал. – 2007, № 2 (21). – с. 22-32.
Грачев Н.Н., Лазарев Д.В. Детерминированные и вероятностные 2.
модели образования контактных радиопомех на подвижных объектах радиосвязи // «Технологии электромагнитной совместимости»: Научно технический журнал. – 2008, № 3 (26). – c. 9-23.
Грачев Н.Н., Лазарев Д.В. Оценка качества контактных 3.
соединений, подвергающихся внешним механическим и коррозионным воздействиям, по критериям ЭМС // «Качество. Инновации. Образование»:
Научно-технический журнал. – 2008, № 11 (42). – с. 53-61.
Грачев Н.Н., Лазарев Д.В. Измерение спектрально-энергетических 4.
характеристик контактных радиопомех типовых механических соединений и построение их эксплуатационных макромоделей // «Измерительная техника»:
Научно-технический журнал. – 2009, № 1. – с. 57-61.
Лазарев Д.В. Контактные помехи радиоприему – природа явлений, 5.
методы подавления и решения проблемы ЭМС // Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий: Материалы научно-практической конференции / под ред. В.Г. Домрачева, С.У. Увайсова. – М.: МИЭМ, 2006. – с. 156 158.
Лазарев Д.В. Автоматизированная измерительно-вычислительная 6.
система анализа контактных радиопомех на базе ЭВМ // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.: МИЭМ, 2007. – с. 308-309.
Грачев Н.Н., Лазарев Д.В. Информационно-измерительная система для 7.
анализа контактных электромагнитных помех при оценке электромагнитной совместимости // Цифровая обработка сигналов и ее применение: Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова – М.: РНТО РЭС, 2007. – с. 407-411.
8. Lazarev D.V. Complex multifactors model general electrical resistance of dynamic contact // Modern Issues in Radio Engineering and Telecommunications «RT 2007»: Materials of the 3-rd International Young Scientist Conference, April 16 — 21, 2007. — Sevastopol: Publishing house of SevNTU, 2007. – p. 248.
Лазарев Д.В. Нелинейно-параметрическая модель образования 9.
интермодуляционных контактных радиопомех // LXII научная сессия, посвященная Дню Радио: Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова – М.: РНТО РЭС, 2007. – с. 272-274.
10. Лазарев Д.В. Исследование переходного сопротивления электрического контакта при механических воздействиях // Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем: Труды Пятой Всероссийской научно практической конференции. – Ульяновск: УлГТУ, 2007. – с. 251-253.
11. Лазарев Д.В. Анализ активной и реактивных составляющих переходного электрического сопротивления контакта // Проектирование телекоммуникационных и информационных средств и систем: Сб. научных трудов / Под ред. Л.Н. Кечиева. – М.: МИЭМ, 2007. – с. 56-63.
12. Лазарев Д.В. Теория надежности для исследования контактных радиопомех: комплексный подход к оценке ЭМС подвижных объектов // 7-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии: Сборник трудов. – СПб.: СПбГЭТУ, 2007. – с. 280-283.
13. Лазарев Д.В. Исследование спектрального состава контактных радиопомех при параметрическом коэффициенте передачи // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.: МИЭМ, 2008. – с. 283-285.
14. Лазарев Д.В. Амплитудно-фазовые характеристики коэффициента передачи по току электрического контакта // Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств: Сб. научных трудов / Под ред. Л.Н. Кечиева.
– М.: МИЭМ, 2008. – с. 122-130.
15. Лазарев Д.В. Интермодуляционные контактные радиопомехи при полигармоническом механическом воздействии // Десятая российская научно техническая конференция по электромагнитной совместимости технических средств и электромагнитной безопасности: Сборник докладов. — СПб.: ВИТУ, 2008. – с.
285-290.
16. Лазарев Д.В. Эксплуатационные макромодели контактных радиопомех типовых элементов механических соединений и система для их получения // Российская конференция с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» УКИ’08: Материалы конференции. – М.: ИПУ им. Трапезникова РАН, 2008. – с. 244-246.
17. Лазарев Д.В. Динамическая нестабильность и параметрическая чувствительность коэффициента передачи по току электрических контактных соединений // «Технологии приборостроения»: Научно-технический журнал. – 2008, № 3 (27). – c. 24-43.
18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009610475. Расчет линейных и нелинейных флуктуационных контактных радиопомех / Лазарев Д.В.;
рег. от 20.01.2009 РОСПАТЕНТ.
19. Способ исследования свариваемости контактных материалов:
Положительное решение РОСПАТЕНТа о выдаче патента РФ от 11.02.2009 по заявке на изобретение № 2008110414/28 от 20.03.2008 / Грачев Н.Н., Лазарев Д.В.
20. Грачев Н.Н., Лазарев Д.В. Теория и практика прогнозирования, измерения и подавления контактных радиопомех: Монография. – М.: МИЭМ, 2009.
– 190 с.
21. Грачев Н.Н., Лазарев Д.В. Исследование амплитудно-частотных характеристик контактных радиопомех типового механического соединения:
Методические указания. – М.: МИЭМ, 2009. – 26 с.
22. Лазарев Д.В. Статистические характеристики флуктуационных интермодуляционных контактных радиопомех // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. – М.:
МИЭМ, 2009. – с. 193-194.