Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ

ІМ. Г.Є. ПУХОВА

УДК 621.372

Забезпечення ефективного використання енергії

електромагнітного поля ліній електроживлення

у короткохвильовому діапазоні

05.09.05 - теоретична електротехніка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розвадовський Андрiй Федорович

Київ - 2009



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" МОН України, кафедра промислової електроніки

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Рогаль Володимир Вікторович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" МОН України, доцент кафедри промислової електроніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Ращепкін Анатолій Павлович, Інститут електродинаміки НАН України, провідний науковий співробітник відділу електромагнітних систем

кандидат технічних наук, професор Пілінський Володимир Володимирович Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут" МОН України, професор кафедри звукотехніки та реєстрації інформації

Захист відбудеться "08" жовтня 2009 р. о 14-00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради К 26.185.02 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: 03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

Автореферат розісланий "04" вересня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради к.ф.-м.н. І.О. Горошко



АНотацІЇ

Розвадовський А.Ф. - забезпечення ефективного використання енергії електромагнітного поля ліній електроживлення у короткохвильовому діапазоні. - Рукопис. електромагнітний короткохвильовий енергія дріт

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.09.05 - Теоретична електротехніка. - національний технічний університет України “київський політехнічний інститут”, Київ, 2009 р.

Дисертація присвячена модифікації методу розрахунку розподілу електромагнітного поля короткохвильового діапазону, створюваного дротами, які розташовані в середовищі з перешкодами та синтезу дротово-бездротових систем, що забезпечують ефективний розподіл енергії електромагнітного поля. Для розрахунку амплітудно-фазового розподілу струму уздовж електричних дротів, розташованих в середовищі з перешкодами, запропоновано модифікувати метод наведених ЕРС. При цьому в обчисленнях враховуються не тільки прямі хвилі, що відповідають вільному простору, але й відбиті, переломлені й дифракційні, які виникають при поширенні електромагнітних сигналів усередині приміщень. Для розрахунку розподілу енергії електромагнітного поля усередині будинків використана хвилевідна модель, що модифікована для випадку розподілених дротових випромінювачів. Розроблено алгоритм розрахунку електромагнітного поля, випромінюваного лініями електроживлення усередині приміщення. Проведено чисельні й експериментальні дослідження розподілів струму й електромагнітного поля ліній електроживлення з різною геометричною конфігурацією в умовах середовища з перешкодами. Виконано синтез дротово-бездротової системи, що використовує лінії електроживлення. Запропоновано практичні рекомендації з побудови таких систем, які стосуються розміщення окремих пристроїв дротово-бездротової системи, їхнього розташування щодо інших пристроїв для забезпечення вимог по електромагнітній сумісності, розміщення місць обслуговуючого персоналу.

Ключові слова: електромагнітне поле, розподіл струму, метод наведених ЕРС, середовище з перешкодами, хвилеводна модель, дротово-бездротова система, лінії електроживлення.



Rozvadovskiy A.F. - Maintenance of an effective electromagnetic field energy utilization of power lines in a short-wave range. - Manuscript.

Thesis for candidate degree of technical sciences by speciality 05.09.05 - Theoretical electrical engineering. - National technical university of Ukraine "Kiev polytechnic institute", Kiev, 2009

The dissertation is devoted to development of the simulation method of an electromagnetic field of the short-wave range radiated by power lines, which located in the space with restrictions (inside buildings). This is necessary for synthesis of wire-wireless systems which provide effective distribution of electromagnetic field energy. For calculation amplitude-phase current distribution along power lines located in the environment with restrictions (inside buildings and premises) the method induced EMF is offered to modify. In this case in modelling the free space direct waves are considered not only. Reflected, refracted and diffraction waves are taken into account too. These waves arise from electromagnetic signal indoor propagation. For calculation of electromagnetic field energy distribution inside premises the waveguide model is used. In this work the waveguide model has been modified for the distributed wire radiators. The algorithm of calculation of the electromagnetic field radiated by power lines inside a building is offered. It consists of on two stages. At the first stage the amplitude-phase current distribution along an indoor power line is calculated. At the second stage, using the found current distribution and taking into account attenuations and reflections of electromagnetic waves inside premises the electromagnetic field distribution is computed. Numerical and experimental researches of distributions of a current and an electromagnetic field are carried out for power lines with various geometrical configurations in the conditions of the environment with restrictions. Synthesis of the wire-wireless systems is executed. In these systems electric wires are used and as the transfer environment and as radiators / receivers of signals. Practical recommendations for such systems constructing are offered. They are concerning: placing of the separate devices, their arrangement concerning other devices for maintenance of requirements on electromagnetic compatibility, placing of operator places.

Keywords: electromagnetic field, current distribution, method induced EMF, the environment with restrictions, waveguide model, wire-wireless system, power line.



Розвадовский А.Ф. Обеспечение эффективного использования энергии электромагнитного поля линий электропитания в коротковолновом диапазоне. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.05 - Теоретическая электротехника. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2009 г.

Диссертационная работа посвящена модификации методов расчета распределения электромагнитного поля линий электропитания в коротковолновом диапазоне. Показано, что для численного расчета амплитудно-фазового распределения тока вдоль электрических проводов, расположенных в среде с препятствиями, метод наведенных ЭДС требует модификации, которая кроме прямых волн позволяет учесть отраженные, преломленные и дифракционные волны, возникающие при распространении электромагнитных сигналов внутри помещений. Для расчета распределения электромагнитного поля внутри помещений модифицирована волноводную модель для случая распределенных проволочных излучателей.

Разработан алгоритм расчета электромагнитного поля, излучаемого линиями электропитания внутри здания, который состоит из следующих основных этапов:

- расчета тока вдоль излучающих проводов с использованием метода наведенных ЭДС для неоднородной среды;

- расчета мощности излучения проводов по найденному распределению тока;

- расчета распределения электромагнитного поля в неоднородной среде, для чего используется модифицированная волноводная модель.

Проведено исследование распределения тока вдоль линий электропитания в условиях среды с препятствиями и установлено, что распределение тока имеет вид стоячих волн. Наличие неоднородностей (изгибов) в проводах приводит к отражениям и затуханию передаваемого сигнала на 3 - 5%, в результате чего появляются дополнительные минимумы тока. При взаимодействии проводов электропитания вблизи границы раздела амплитуда тока уменьшается обратно пропорционально относительной диэлектрической проницаемости среды . При проведении расчетов размер плеча элементарных вибраторов, на которые разбиваются излучающие провода, следует выбирать в пределах . В этом случае в рассматриваемом диапазоне частот изменение коэффициентов отражения и преломления не превышает 10 % . Поэтому в расчетах их значение принимается постоянным для всех точек вибраторов.

Для проверки результатов, полученных с использованием модифицированного метода наведенных ЭДС, выполнено их сравнение с результатами, полученными методом моментов. В случае среды с препятствиями положение максимумов тока в основном определяется положением источников сигнала, тогда как в случае свободного пространства - геометрией проводов. Распределение тока в среде с препятствиями получается более “сглаженным”, чем для случая открытого пространства.

Сравнение теоретических и экспериментально полученных данных показало, что расхождение значений для рассчитанных и измеренных распределений тока составляет не более 10 - 15 %, а для напряженности электрического поля - не более 12 - 17 %, что свидетельствует о целесообразности использования предложенного модифицированного метода наведенных ЭДС и волноводной модели распределения электромагнитного поля внутри зданий для расчета распределения энергии в среде с препятствиями.

Разработана методика построения проводно-беспроводных систем, использующих линии электропитания. Рассмотрен пример разработки проводно-беспроводной сети, на основе которой даны практические рекомендации, касающиеся размещения отдельных устройств системы, их расположения относительно других устройств, размещения мест обслуживающего персонала. Данные рекомендации позволяют повысить устойчивость передачи сигналов между отдельными устройствами сети, обеспечить электромагнитную совместимость и защиту людей от воздействия нежелательных электромагнитных излучений.

Ключевые слова: электромагнитное поле, распределение тока, метод наведенных ЭДС, среда с препятствиями, волноводная модель, проводно-беспроводная система, линии электропитания.



загальна характеристика роботи

Вступ. У зв'язку із зростанням взаємопроникнення енергетики і інформаційних технологій системи передачі електромагнітних сигналів по лініях електроживлення набувають все більшого поширення при побудові керуючих, контролюючих і локальних обчислювальних мереж. У таких мережах електричні дроти використовуються не тільки для подачі напруги живлення, але і як середовище передавання. Тому в даний час багато уваги звертають на вирішення завдань на об'єднання електричних мереж і мереж передачі даних, моделюванню електромагнітних процесів в електричних мережах, розвитку енергозберігаючих технологій, організаційно-методичним основам енергозбереження. Даним питанням присвячені роботи Васецького ю.М., Ємця ю.П., Тонкаля В.Є., Новосельцева О.В., Резцова в.Ф., Щерби а.А., Тубініса В.В. та ін.

Однак при організації таких мереж усередині будівлі або окремого приміщення існуючі технології мають ряд обмежень, що обумовлені значним ослабленням сигналів, вимогами електромагнітної сумісності з іншими пристроями і безпеки персоналу, що знаходиться в зоні дії електромагнітного поля.

Одним із способів збільшення площі покриття локальних мереж, що використовують лінії електроживлення, є побудова дротово-бездротових систем, в яких сигнал частину шляху проходить по дротах ліній електроживлення, і одночасно з цим дроти виступають як випромінювачі або приймачі сигналу. Виконання вимог щодо стійкої роботі таких систем та їх електромагнітній сумісності може бути досягнуто відповідним розподілом енергії створюваного ними електромагнітного поля.

Таким чином, одним з основних завдань є визначення рівня випромінювання, що створюється електричними дротами в короткохвильовому діапазоні. Методи розрахунку електромагнітного випромінювання дротових структур різної геометричної конфігурації розглянуті в роботах проф. Лобкової л.М., проф. Проценко м.Б. і використовувалися для створення антенних пристроїв, в яких як випромінювачі/приймачі сигналу використовуються дроти.

Оскільки лінії електроживлення розташовують усередині приміщень, то розподіл струму в них і випромінювані ними електромагнітні хвилі, значною мірою залежать від планування приміщень, властивостей матеріалів стін і пере криттів, відстаней від випромінюючих дротів до точки прийому/передачі. Питан ня розрахунку електромагнітного поля в неоднорідних середовищах розглянуті в роботах Гурєєва а.В., Ращепкіна а.П., Кондратенко і.П., Пілінського В.В., Вольфа Г., Ландсторфера Ф.М. та ін.

Актуальність теми. На сьогоднішній день достатньо детально вивчені питання моделювання розподілу енергії електромагнітного поля усередині будівель для систем з точковими випромінювачами за умови дальньої зони. Проте, ці моделі не дозволяють визначити залежність розподілу енергії електромагнітного поля дротово-бездротових систем, що використовують лінії електроживлення з урахуванням їх форми, внутрішнього планування приміщень, кількості і типу підключених навантажень і джерел сигналу, оскільки розміри дротів близькі з розмірами приміщень, для яких проводиться розрахунок.

Це обумовлює актуальність завдання моделювання та аналізу розподілу енергії електромагнітного поля розподіленого дротового випромінювача в середовищі з перешкодами в ближній зоні. Результати моделювання необхідні для побудови дротово-бездротових систем із заданим розподілом енергії електромагнітного поля, яке забезпечує сталий обмін сигналами між окремими пристроями мережі, електромагнітну сумісність з іншими пристроями, а також безпеку персоналу від дії небажаних електромагнітних випромінювань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Науково-дослідна робота по темі дисертації проводилася в НТУУ "Київський політехнічний інститут" на кафедрі промислової електроніки відповідно до Закону України "Про Державний бюджет України на 2007 рік"; наказом Міністерства утворення і науки України № 161 від 27.02.2007 р.; додатковою угодою № 1 від 27.04.2007 р. до договору № М/212-2006 від 24 липня 2006 р.; НДР "Інформаційно-комутаційна система на базі використання ліній електромережі і широкосмугової модуляції".

Мета і задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є вдосконалення методів розрахунку розподілу електромагнітного поля, що створюється провідниками з різною геометричною конфігурацією, розташованими в середовищі з перешкодами, і синтез дротово-бездротових систем, які забезпечують ефективний розподіл енергії в короткохвильовому діапазоні.

Поставлена мета вимагає вирішення наступних наукових задач:

- розробки модифікованих методів розрахунку розподілу струму і енергії електромагнітного поля випромінюючих ліній електроживлення з різною геометричною конфігурацією, розташованих в середовищі з перешкодами;

- реалізація запропонованих модифікованих методів у вигляді алгоритму для моделювання розподілу струму і енергії електромагнітного поля ліній електроживлення, що використовуються в локальних мережах усередині будівель;

- розробка методики синтезу дротово-бездротової системи, що використовує лінії електроживлення, із заданим розподілом енергії електромагнітного поля усередині будівлі.

Об'єктом дослідження є лінії електроживлення, що використовуються як середовище передачі, а також як випромінювачі/приймачі електромагнітних сигналів короткохвильового діапазону.

Предметом дослідження є електромагнітне поле ліній електроживлення, що створюється при використанні їх для випромінювання/прийому сигналів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження електромагнітного випромінювання ліній електроживлення ґрунтувалися на використанні інтегральних рівнянь теорії елементарного електричного випромінювача, отриманих на основі методу векторного потенціалу; застосуванні методу наведених ЕРС; узагальненого методу наведених ЕРС; хвилевідної моделі бездротових каналів. Основними інструментами дослідження є пакети MATHCAD v.11 і v.14, Maple 9.01, Microwave Office 5.02, Electronic Workbench 5.12.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- модифіковано метод розрахунку розподілу струму уздовж випромінюючих

дротів, розташованих в середовищі з перешкодами, що вперше враховує вплив відбитих, переломлених і дифракційних хвиль;

- модифікована хвилевідна модель розподілу електромагнітного поля усередині будівель для випадку дротових випромінювачів в ближній зоні;

- визначені залежності розподілу струму і енергії електромагнітного поля дротово-бездротових систем усередині будівлі в ближній зоні для окремих сегментів електричної мережі.

Практичне значення одержаних результатів:

- запропонована побудова дротово-бездротової системи зв'язку, що використовує дроти ліній електроживлення як середовище передачі, а також як випромінювачі/приймачі сигналів, що розширює область дії таких мереж;

- розроблено алгоритм розрахунку розподілу енергії електромагнітного поля дротово-бездротової системи, що визначає просторове положення максимумів і мінімумів поля випромінювання ліній електроживлення, при передачі сигналів;

- синтезована дротово-бездротова система, що використовує лінії електроживлення, із заданим положенням і величиною максимумів і мінімумів енергії електромагнітного поля, що забезпечує сталий обмін сигналами між елементами мережі, електромагнітну сумісність з іншими пристроями і безпеку персоналу від дії електромагнітного випромінювання.

Особистий внесок автора. Автор самостійно виконав аналіз існуючих способів передачі даних по лініях електроживлення, способів розрахунку і дослідження поширення електромагнітних хвиль усередині будівель при безпровідному обміні. Розробив модель для розрахунку електромагнітного поля, що створюється електричними дротами при використанні їх для передачі даних в локальних мережах і запропонував використовувати дротово-бездротовий обмін, при якому лінії електроживлення, залежно від поставленого завдання, виступають як випромінювачі/приймачі сигналу.

У роботах [4, 6 - 9, 16 - 20] представлені математична модель і експериментальні результати дослідження поля випромінювання, що створюється дротовими випромінювачами з довільною геометричною конфігурацією; у [5, 21, 22] запропонована модель для розрахунку електромагнітного поля, створюваного системами передачі сигналів по лініях електроживлення; у [1 - 3, 15] представлені результати чисельного моделювання розподілу струму і поля випромінювання такої системи; у [10] запропонована дротово-бездротова система передачі сигналів, в якій застосовано запропонований спосіб безпровідного обміну даними між електричними дротами локальної обчислювальної мережі. У [11, 12] розглянуті структурні схеми прийомопередавачів, що використовуються в дротово-бездротових системах передачі, а в [13, 14] запропоновані моделі зігнутих (зигзагоподібних) випромінювачів.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародній науково-технічній Кримській конференції: НВЧ-техніка і супутникові телекомунікаційні технології (м. Севастополь, 1999 - 2002 рр.), Міжнародній конференції з теорії і техніки антен ICATT'99 (м. Севастополь, 1999 р.), Харківській конференції молодих учених “Радіофізика і електроніка” (м. Харків, 2005 - 2006 рр.), науковому семінарі “Напівпровідникові перетворювачі в пристроях промислової електроніки” секції “Перетворення параметрів електричної енергії” Наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (м. Київ, 2006 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка і енергоефективність” (МНТК Сее'2006) (м. Алушта, 2006).

Публікація результатів наукових досліджень. По матеріалах досліджень опубліковано 22 роботи: з них 9 - наукових статей; 6 - доповідей на науково-технічних конференціях; 2 - тези доповідей; 5 - патентів України.

Структура і об'єм дисертаційної роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний об'єм роботи складає 235 сторінок, у тому числі 190 сторінок основного тексту, 66 малюнків, 7 таблиць, список використаних джерел з 141 найменувань та 7 додатків.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність задачі моделювання і аналізу розподілу енергії електромагнітного поля розподіленого дротового випромінювача в середовищі з перешкодами в ближній зоні; визначена необхідність синтезу дротово-бездротової системи із заданим розподілом енергії електромагнітного поля, що забезпечує сталий обмін сигналами між окремими пристроями мережі, електромагнітну сумісність з іншими пристроями, безпеку персоналу від дії електромагнітних випромінювань.

У розділі 1 проведений огляд найбільш поширених систем передачі електромагнітних сигналів по лініях електроживлення, що отримали широке застосування в промисловості, на транспорті, в медицині, в засобах домашньої автоматики, в локальних обчислювальних мережах.

В даний час не існує єдиного стандарту передачі електромагнітних сигналів по лініях електроживлення. Різні установи і фірми пропонують свої рішення і способи передачі. Області їх застосування залежать від швидкості обміну сигналами, способу модуляції/кодування сигналу, його захищеності, завадостійкості і таке інше.

Не зважаючи на різноманітність існуючих технологій передачі електромагнітних сигналів по лініях електроживлення, їм властиві загальні недоліки: наявність різних видів завад; загасання сигналу в дротах; обмеження при побудові мережі, пов'язані з наявністю трансформаторів, лічильників, мережевих фільтрів, що розділяють дроти на окремі ділянки і перешкоджають створенню єдиної локальної обчислювальної мережі; високий рівень побічного випромінювання, яке заважає нормальній роботі інших пристроїв, а також становить небезпеку для здоров'я людей.

Для подолання цих обмежень запропоновано використовувати комбінований дротово-бездротовий обмін сигналами, при якому електричні дроти використовуються не тільки як середовище передачі, але і як випромінювачі/приймачі сигналів.

При визначенні випромінювання криволінійних дротів, розподілу струму уздовж них, а також для знаходження поля, створеного цим струмом, пропонується використовувати метод наведених ЕРС. Проте, в умовах середовища з перешкодами даний метод не дозволяє врахувати відбиття, заломлення, дифракції, яких зазнають електромагнітні хвилі. Для усунення цього недоліку пропонується модифікувати цей метод, представивши тангенціальну складову напруженості стороннього поля у вигляді суми тангенціальних складових напруженостей електричного поля прямої , відбитої , заломленої і дифракційної хвиль, що виникають при взаємодії елементарних вібраторів в умовах неоднорідного середовища.

Значення елементів матриці власних і взаємних опорів визначаються впливом кожної з хвиль, що дозволяє уточнити вагові коефіцієнти, по яких апроксимується розподіл струму.

У даному розділі розглянуті моделі поширювання електромагнітних хвиль усередині будівель, що враховують загасання сигналу у стінах приміщень, розсіювання і перевідбиття від них. У вихідних параметрах цих моделей враховуються тип будівлі, матеріали конструкції, планування і взаємне розташування передавача і приймача.

Проте існуючі моделі для розрахунку розподілу енергії електромагнітного поля в середовищі з перешкодами призначені для аналізу випромінювання точкового випромінювача в дальній зоні. Їх неможливо застосувати до ліній електроживлення, які є розподіленими дротовими випромінювачами, оскільки в цьому випадку кількість точкових джерел сигналу, якими можна відтворити випромінюючі дроти, прямує до нескінченності. Крім того, відстань від випромінюючих ліній електроживлення до точки спостереження не перевищує декількох довжин хвиль, а тому існуючі моделі поля випромінювання необхідно модифікувати для випадку розподіленого випромінювача в ближній зоні.

У розділі 2 на основі методу векторного потенціалу, модифікованого методу наведених ЕРС і хвилевідної моделі розподілу енергії електромагнітного поля усередині будівель отримані співвідношення для розрахунку розподілу електромагнітного поля в середовищі з перешкодами.

Для цього лінії електроживлення представляються у вигляді ламаної (див. рис. 1). Точки і позначають, відповідно, поточну точку інтегрування уздовж випромінюючого дроту і точку спостереження в навколишньому середовищі. Загальна довжина дроту дорівнює де - довжина відрізку , - довжина відрізку , - довжина відрізку , - довжина відрізку .

На практиці лінії електроживлення прокладають паралельно поверхні стін або їх стиків. Виходячи з даного припущення, з урахуванням (2), отримані вирази для напруженості магнітного і електричного полів де - густина струму для -го відрізку; - хвилеве число; - кутова частота, рад/с; - комплексна абсолютна діелектрична проникність середовища, Ф/м; - абсолютна магнітна проникність середовища, Гн/м; - відстань від проводу лінії електроживлення до точки спостереження; - радіус-вектор, співнапрямлений з вектором ; - змінна інтегрування.

Дійсна частина комплексного вектора Пойнтинга в (5) визначає густину потоку енергії, що випромінюється лініями електроживлення. В результаті інтегрування виразу (5) по замкненій поверхні , що охоплює дроти, визначаємо потужність, яка випромінюється ними усередині будівлі, де векторний диференціал дорівнює добутку скалярного диференціала поверхні ds на орт нормалі , тобто .

Для розрахунку складових напруженості електричного поля, що входять у вираз (1), розглянута взаємодія елементарних вібраторів, на які розбиваються лінії електроживлення поблизу межі розділу двох середовищ, а також діелектричного клину.

При взаємодії елементарних вібраторів за допомогою відбитої хвилі взаємний опір -го і -го вібраторів буде рівний де - хвилеве число для 1-го середовища; - коефіцієнт фази у 1-му середовищі; - довжина хвилі у 1-му середовищі; - коефіцієнт загасання у 1-му середовищі; і - довжини плечей -го вібратора; и - поточні координати вздовж плечей -го вібратора; - тангенціальна складова напруженості електричного поля поблизу -го плеча, яка утворюється струмами -го вібратора;



коефіцієнт відбиття; , - хвилеві опори 1-го та 2-го середовища, відповідно; - кут падіння хвилі на межу розділу двох середовищ; - кут переломлення.

Аналогічним чином отримано вираз для взаємного опору -го і -го вібраторів, що взаємодіють за допомогою заломленої хвилі де - хвилеве число для 2-го середовища; - коефіцієнт фази в 1-му середовищі; - довжина хвилі в 2-му середовищі; - коефіцієнт загасання в 2-му середовищі;- коефіцієнт заломлення.

Поблизу діелектричного клину співвідношення для взаємного опору елементарних вібраторів, що взаємодіють за допомогою дифракційної хвилі, можна представити у вигляді де - тангенціальні складові напруженості електричного поля на поверхні верхнього і нижнього плечей -го вібратора, зумовлені поверхневими струмами дифракційної хвилі, яка випромінюється верхнім і нижнім плечима -го вібратора.

Для розрахунку розподілу електромагнітного поля дротових випромінювачів усередині будівлі запропоновано модифікувати хвилевідну модель. Для цього при розрахунку розподілу енергії електромагнітного поля в середовищі з перешкодами розглядається не точкове джерело, а дротовий випромінювач, розміри якого сумірні з розмірами приміщень, в яких він розташований. Потужність випромінювання дроту в кожному елементарному блоці, відповідно до виразів (2) - (6), визначається розподілом струму уздовж відрізка, розташованого в даному блоці.

Енергетичне формулювання хвилевідної моделі розповсюдження сигналів усередині будівлі зводиться до розв'язку системи лінійних рівнянь вигляду де - потужність сигналу, що поглинається навколишніми стінами; - потужність, що випромінюється лініями електроживлення, розташованими в -му блоці; - коефіцієнт, який визначає складові потужності втрат в даній структурі (визначається формою даного блоку, характером його заповнення, характеристиками стін, що оточують його, але не залежний від місця розташування і характеристик спрямованості джерела електромагнітного поля); - коефіцієнт згасання в стіні між i-м і -м блоками.

На підставі отриманих математичних виразів (1)-(10) розроблений алгоритм розрахунку електромагнітного поля, випромінюваного лініями електроживлення усередині будівлі, який складається з двох етапів: на першому етапі проводиться розрахунок розподілу струму уздовж дротів електроживлення в середовищі з перешкодами; на другому етапі, по знайденому розподілу струму з урахуванням загасань і перевідбиттів електромагнітних хвиль усередині приміщень, знаходиться розподіл поля.

У розділі 3 представлені результати аналізу та розрахунку розподілу струму і електромагнітного поля ліній електроживлення. Розрахунки виконувані для лінійних і зігнутих двопровідних ліній електроживлення. Передбачається, що основний сигнал знаходиться в діапазоні частот 2...28 МГц, а паразитне випромінювання має ширший діапазон частот - 1,7...80 Мгц.

Для наочності і зручності викладання розміри дротів представлені у відносних одиницях, кратних довжині хвилі сигналу.

При розрахунку розподілу струму поблизу межі розділу двох середовищ встановлено, що при довжині елементарних вібраторів, рівній зміни коефіцієнтів відбиття і заломлення не перевищують 5-10 %. Тому при розрахунку взаємних опорів їх можна прийняти однаковими для всіх точок вібраторів.

Розрахунок біля межі розділу двох середовищ, а також поблизу діелектричного клину показав, що характер розподілу амплітуди струму уздовж випромінюючих дротів ліній електроживлення визначається їх геометричною конфігурацією і має вигляд стоячої хвилі. Амплітуда струму залежить від властивостей середовища, зокрема, від відносної діелектричної проникності . Збільшення останньої призводить до зменшення хвилевого опору середовища і, як наслідок, до зростання струму в дротах електроживлення.

Для перевірки результатів, отриманих з використанням модифікованого методу наведених ЕРС, виконано їх порівняння з результатами, отриманими методом моментів, якій є більш загальним відносно методу наведених ЕРС.

Однією з найбільш поширених комп'ютерних програм, що використовують метод моментів для моделювання розподілу струму уздовж випромінюючих дротів, є MMANA-GAL. Вона найбільш близька до програми розрахунку розподілу струму з використанням модифікованого методу наведених ЕРС, запропонованого в даній роботі. Програма MMANA-GAL дозволяє провести розрахунок характеристик струму дротових випромінювачів у вільному просторі, а також поблизу однієї межі розділу двох середовищ. Проте, в MMANA-GAL не реалізована можливість моделювання розподілів струму випромінюючих дротів, розташованих в просторі з перешкодами, коли меж розділу середовищ більше, ніж одна (наприклад, усередині прямокутного приміщення, де з урахуванням стін і перекриттів їх кількість досягає шести).

Розподіл струму уздовж ліній електроживлення з підключеними джерелами сигналів і усередині приміщень, отриманий при використанні модифікованого методу наведених ЕРС, показано на рис. 6, а. Аналогічний розподіл для простору без перешкод, отриманий при використанні програми MMANA-GAL версії 1.20.20, показаний на рис. 6, б.

Порівняння результатів показало, що у разі простору з перешкодами положення максимумів струму в основному визначається положенням джерел сигналу, тоді як у разі простору без перешкод - геометрією дротів. Розподіл струму в середовищі з перешкодами виходить більш “згладженим”, ніж для випадку простору без перешкод, проте розподіл струму в обох випадках має вигляд змішаних хвиль.

За алгоритмом, блок-схема якого наведена на рис. 5, виконані розрахунки розподілів електромагнітного поля усередині приміщень з різним плануванням.

Розподіл електромагнітного поля усередині приміщення визначається плануванням приміщень, геометрією дротів, а також розподілом струму уздовж дроту. Збільшення різниці між максимальним і мінімальним значенням амплітуди струму призводить до збільшення різниці між максимумами і мінімумами випромінюваного поля.

У розділі 4 приведені результати експериментального дослідження розподілу струму і характеристик випромінювання. При проведенні вимірювань розподілу струму використовувався мідний дріт завдовжки 5 м марки ПВС. Експериментально отриманий розподіл струму уздовж осі дроту близький до стоячої хвилі, яка затухає к кінцю відрізка. Оскільки дріт має кінцеву провідність, а також покритий ізоляцією, то в ньому має місце укорочення хвилі на 30...40% в порівнянні з довжиною хвилі у вільному просторі. Величина укорочення хвилі залежить від відносної діелектричної проникності діелектрика , з якого виконана ізоляція, питомої провідності матеріалу дроту і частоти сигналу . У розрахунках укорочення хвилі враховується при обчисленні коефіцієнта фази .

Зміна форми дроту (його вигин) призводить до додаткового зменшення амплітуди струму в точці вигину на 3...5%, проте характер розподілу залишається близьким до стоячих хвиль.

Унаслідок втрат у дроті експериментально отриманий розподіл поля в порівнянні з розрахунковим є більш нерівномірним уздовж осі дроту і загасає в поперечному напрямі на 10 - 15 % швидше.

На підставі результатів, отриманих при аналізі розподілу енергії електромагнітного поля, розроблено методику синтезу дротово-бездротової системи, що використовує лінії електроживлення усередині будівлі.

Розроблена методика полягає в такому порядку дій:

1. Задається необхідний розподіл енергії електромагнітного поля.

2. Відповідно до алгоритму на рис. 5 (блоки 2-10), для вибраного сегменту лінії електроживлення виконується розрахунок розподілу струму.

3. Відповідно до алгоритму на рис. 5 (блоки 11-13), для заданих приміщень, виконується розрахунок розподілу енергії електромагнітного поля з урахуванням отриманого в п. 2 розподілу струму.

4. Якщо отриманий розподіл поля не співпадає із заданим, визначаються точки усередині приміщень, де необхідно зменшити /збільшити рівень випромінюваного сигналу.

5. У точках, де необхідно зменшити значення випромінюваної потужності, проводиться екранування ліній електроживлення. При внутрішньому монтажі електричних дротів на стіни наносяться покриття, які відбивають або поглинають. При зовнішньому монтажі проводів їх розміщують в захисних коробах (трубках).

6. У точках, де необхідно збільшити значення випромінюваної потужності або дальність передачі сигналу підключаються регенератори.

7. Проводиться повторний розрахунок амплітудно-фазового розподілу струму і розподілу енергії електромагнітного поля усередині приміщення відповідно до п.п. 2, 3.

8. Отриманий результат порівнюється з необхідним розподілом енергії електромагнітного поля. У разі збігу синтез дротово-бездротової системи вважається завершеним, інакше перехід до п.4.



ВиСНОВКИ

У дисертаційній роботі модифіковано метод аналізу розподілу електромагнітного поля, що створюється провідниками, розташованими в середовищі з перешкодами, і синтезована дротово-бездротова система, що забезпечує заданий розподіл енергії в короткохвильовому діапазоні.

1. Розроблений модифікований метод розрахунку розподілу струму уздовж випромінюючих дротів враховує вплив відбитих, переломлених і дифракційних хвиль, обумовлених неоднорідністю середовища, що дозволяє виявити особливості розповсюдження електромагнітних хвиль в середовищі з перешкодами і підвищити точність розрахунку.

2. Запропонована модифікована хвилевідна модель розподілу електромагнітного поля усередині будівель дозволяє знаходити потужність випромінювання усередині кожного елементарного об'єму середовища з перешкодами як потужність випромінювання розташованого усередині нього відрізку дроту з розрахованим розподілом струму.

3. Показано, що через нерівномірність розподілу струму в дротах, яка обумовлена їхньою формою, неоднорідністю середовища, загасанням у стінах та перекриттях розбіжність значень потужності, яка випромінюється всередині будівель і приміщень, зростає на 10 - 30 %, що потребує прийняття додаткових заходів для перерозподілу струму та забезпечення заданого розподілу енергії.

4. Модифікований метод наведених ЕРС у порівнянні з методом моментів для вільного простору внаслідок обліку відбитих, заломлених і дифракційних хвиль дозволяє уточнити й виявити особливості розподілу струму й енергії електромагнітного поля в середовищі з перешкодами.

5. Порівняння теоретичних і експериментально отриманих результатів показало, що розбіжність значень для розрахованих і виміряних розподілів струму складає не більше 10-15 %, а для напруженості електричного поля - не більше 12-17 %, що свідчить про адекватність запропонованого модифікованого методу наведених ЕРС і хвилевідної моделі розподілу електромагнітного поля усередині будівель для розрахунку розподілу енергії в середовищі з перешкодами.

6. Розроблено алгоритм розрахунку електромагнітного поля дротів електроживлення, що використовуються в локальних мережах усередині будівель і методика синтезу дротово-бездротової системи, що використовує лінії електроживлення для передачі сигналів. Дані практичні рекомендації по забезпеченню сталої передачі сигналів; електромагнітній сумісності; оцінці дії небажаних електромагнітних випромінювань на людей.



переЛІК публІкацІй ЗА темОЮ дисертацІЇ

1. Жуйков В.Я. поле ближней зоны проводов электропитания в системе передачи данных / В.Я. Жуйков, А.Ф. Розвадовский // Техническая электродинамика. - 2008. -№ 1. - С. 12 - 16.

2. Жуйков В.Я. расчет распределения тока вдоль проволочных излучателей в условиях неоднородной среды / В.Я. Жуйков, А.Ф. Розвадовский // Техническая электродинамика: тематический выпуск “Проблеми сучасної електротехніки”. - 2008. - Ч.2. - С. 15 - 22.

3. Розвадовский А.Ф. распределение тока вдоль проволочных излучателей вблизи границы раздела двух сред / А.Ф. Розвадовский // Техническая электродинамика: тематический выпуск “Проблеми сучасної електротехніки”. - 2008. - Ч.5. - С. 11 - 14.

4. Розвадовский А.Ф. Расчет электромагнитного поля линий электропитания, используемых в системах связи внутри зданий / А.Ф. Розвадовский // Техническая электродинамика: тематический выпуск “Силовая электроника и энергоэффективность”. - 2006. - Ч.3. - С. 108 - 113.

5. Розвадовский А.Ф. определение уровня побочного излучения при широкополосном доступе по электрическим проводам / А.Ф. Розвадовский // Электроника и связь. - 2004 - № 23. - С. 95 - 101.

6. Розвадовский А.Ф. расчет характеристик излучения изогнутого электрического провода / А.Ф. Розвадовский // Электроника и связь - 2006 - № 1 - С. 70 - 75.

7. Лобкова Л.М. Анализ направленных и поляризационных свойств зигзагообразных излучателей / Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, А.Ф. Розвадовский // Изв. вузов: Радиоэлектроника. - 2002. - №1 - 2. - С.64 - 70.

8. Лобкова Л.М. Анализ характеристик излучения зигзагообразных антенн / Л.М. Лобкова, А.Ф. Розвадовский // Вестник СевНТУ. Информатика, электроника, связь: сб. научн. тр. - 2001. - Вып. 32. - С. 65 - 71.

9. Лобкова Л.М. Исследование поля излучения двухэлементной антенной решетки из зигзагообразных излучателей / Л.М. Лобкова, А.Ф. Розвадовский // Вестник СевНТУ. Информатика, электроника, связь: сб. научн. тр. - 2002. - Вып. 41. - С. 5 - 11.

10. Пат. 19600 Україна, МПК Н04В 3/54. Дротова-бездротова система зв'язку / Жуйков В.Я., Розвадовський А.Ф. (Україна); заявник та патентовласник НТУУ “КПІ”. - № u 2006 07784; заявл. 11.07.2006; опубл. 15.12.2006. Бюл. № 12. - 3 с.

11. Пат. 36590 Україна, МПК G02В 6/44 Приймач-передавач з частотним поділом каналів / Жуйков В.Я., Розвадовський А.Ф. (Україна); заявник та патентовласник НТУУ “КПІ”. -№ u 2008 09126; заявл. 11.07.2008; опубл. 27.10.2008. Бюл. № 20. - 4 с.

12. Пат. 36591 Україна, МПК G02В 6/44 Приймач-передавач зі зворотним зв'язком / Жуйков В.Я., Розвадовський А.Ф. (Україна); заявник та патентовласник НТУУ “КПІ”. -№ u 2008 09129; заявл. 11.07.2008; опубл. 27.10.2008. Бюл. № 20. - 4 с.

13. Пат. № 47927А Україна, МПК H01Q 7/00 Зигзагоподібна антена лінійної поляризації / Лобкова Л.М., Проценко М.Б., Розвадовський А.Ф. (Україна); заявник та патентовласник СНТУ. -№ u 2001 117667; заявл. 09.11.2001; опубл. 15. 07.2002. Бюл. № 7. - 3 с.

14. Пат. № 47928А Україна МПК H01Q 7/00 Зигзагоподібна антена кругової поляризації / Лобкова Л.М., Проценко М.Б., Розвадовський А.Ф. (Україна); заявник та патентовласник СНТУ. -№ u 2001 117691; заявл. 12.11.2001; опубл. 15. 07.2002. Бюл. № 7. - 3 с.

15. Rozvadovskiy A. Method of PLC network radiation control / A. Rozvadovskiy // Мат. 5-ой Межд. конф. "Compatibility and Power Electronics (CPE-2008)", 29 мая - 01 июня 2008. - Гданск, Польша. - 2008. - 5 с. - 1 элекрон. опт. диск (CD-ROM). - Сист. требования: Pentium; 32 Mb RAM; Windows 95, 98, 2000, XP; Adobe Acrobat 4 - 9.

16. Lobkova L.M. Radiation Features of a Flat Z-antenna / L.M. Lobkova, M.V. Ivashina, A.F. Rozvadovsky // Proceeding of the 3rd International Conference on Antenna Theory and Techniques, 8-11 Sept. 1999. - Ukraine, Sevastopol, 1999. - P. 337 - 338.

17. Лобкова Л.М. Метод измерения поляризационных характеристик антенн / Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, М.В. Ивашина, А.Ф. Розвадовский // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: 9-я междунар. конф. КрыМиКо-99, 13-16 сент. 1999 г. - Севастополь, 1999. - С.380 - 381.

18. Лобкова Л.М. Выбор геометрических параметров Z-антенн и оценка их частотных свойств / Л.М. Лобкова, А.Ф. Розвадовский, С.А. Редькин // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: 10-я междунар. конф. КрыМиКо-2000, 11-15 сент. 2000 г. - Севастополь, 2000. - С.306 - 307.

19. Лобкова Л.М. Особенности формирования диаграммы направленности двухэлементной решетки, состоящей из двух Z_излучателей / Л.М. Лобкова, М.Б. Проценко, А.Ф. Розвадовский // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: 11-я междунар. конф. КрыМиКо-2001, 10-14 сент. 2001 г. - Севастополь, 2001. - С.399 - 400.

20. Лобкова Л.М. Направленные и поляризационные свойства малоэлементной конформной антенной решетки из зигзагообразных излучателей / Л.М. Лобкова, А.Ф. Розвадовский, Р.С. Фунтов // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: 12-я междунар. конф. КрыМиКо-2002, 9-13 сент. 2002 г. - Севастополь, 2002. - С.321 - 322.

21. Розвадовский А.Ф. Применение волноводной модели для расчета побочного излучения при передаче данных по линиям электропитания / А.Ф. Розвадовский // Радиофизика и СВЧ-электроника: V харьковская конференция молодых ученых “Радиофизика и СВЧ-электроника”, 14-16 дек. 2005 г.: тезисы докл. - Харьков, 2005. - С. 17-18.

22. Розвадовский А.Ф. Моделирование электромагнитного поля проводов при использовании технологии PLC / А.Ф. Розвадовский // Радиофизика и СВЧ-электроника: VI харьковская конференция молодых ученых, 13-14 дек. 2006 г.: тезисы докл. - Харьков, 2005. - С. 85.

Размещено на Allbest.ru

...