CC BY
8В.Ф. Лапицкий
кандидат технических наук, доцент
К.В. Фролов
ПАО «Интелтех»
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НАДВОДНОГО КОРАБЛЯ С УЧЕТОМ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОРПУСА И МЕСТ РАЗМЕЩЕНИЯ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ
АННОТАЦИЯ. В статье разработана методика расчета электромагнитной обстановки надводного корабля (ЭМО НК) с учетом геометрических параметров корпуса и мест размещения антенно-фи-дерных устройств. Разработанная методика основана на решении граничной задачи в частотной области при использовании комбинации метода моментов (МоМ), метода конечных элементов (FEM), метода конечной разности во временной области (КРВО) и физической оптики (РО). Приведен пример расчета электромагнитной обстановки, создаваемой двумя передатчиками, работающими на четверть волновые штыри.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Электромагнитная обстановка, дифракция в ближней зоне, напряженность электромагнитного поля, граничные условия, метод моментов (МоМ), метод конечных элементов (FEM), метод конечной разности во временной области (КРВО).
Ведение
Одним из путей решения проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (РЭС) является прогнозирование электромагнитной обстановки (ЭМО). Процесс моделирования электромагнитной обстановки для обеспечения устойчивого совместного функционирования радиоэлектронных средств надводных кораблей направлен на: существенное сокращение временных, материальных и финансовых затрат при создании системы связи надводных кораблей.
Методика расчета электромагнитной обстановки
Анализ объектовой ЭМС РЭС сводится к анализу электромагнитной обстановки, создаваемой на корабле. Для анализа ЭМО необходимо решить задачу дифракции в ближней зоне от N излучателей. Существующие методы решения задач дифракции не позволяют рассчитывать поля ближней зоны N излучателей, установ-
ленных на корабле. Электромагнитную обстановку на надводном корабле (НК) характеризуют следующие основные факторы, влияющие на работу радиоэлектронных средств:
влияние средства связи, навигации и линий электропитания, установленных на корабле;
влияние технических средств системы управления;
влияние некачественного заземления оборудования и отсутствие специально спроектированных систем заземления; колебания в сетях питания. Определение уровней электромагнитного поля (ЭМП) проводится с целью прогнозирования и определения состояния электромагнитной обстановки в местах размещения РЭС НК.
Область применения разрабатываемой методики:
при проектировании системы связи НК; при изменении условий размещения, характеристик или режимов работы технических средств действующего НК (изменение расположения антенн, высот их установки, направлений
излучения, мощности излучения, схемы антен-но-фидерного тракта, изменения геометрии корпуса и т. п.);
при сдаче НК в эксплуатацию (при внесении изменений в проект относительно его первоначального варианта, для которого осуществлялось расчетное прогнозирование).
На рис. 1 представлена структурная схема методики по определению ЭМО на НК с учетом геометрических параметров корпуса и мест размещения антенно-фидерных устройств.
Методика по определению ЭМО на НК предполагает решение следующих задач:
— разработка модели источников ЭМП;
— разработка трехмерной компьютерной модели корпуса НК;
— решение задачи дифракции в ближней зоне численными методами для расчета электромагнитного поля, создаваемого каждой антенной при подаче на ее вход максимальной мощности;
— оценка влияния корпуса корабля на направленные свойства установленных на нем антенн;
— конверсия результатов расчета ЭМП численными методами при решении задачи дифракции на сложном геометрическом объекте асимптотическими методами.
Разработанная методика расчета ЭМО НК основана на решении граничной задачи в ча-
стотной области при использовании комбинации метода моментов (МоМ), метода конечных элементов (FEM), метода конечной разности во временной области (КРВО) и физической оптики (РО). Использование данного подхода обеспечивает комбинацию численных и асимптотических алгоритмов, что оказывается весьма эффективными для расчета ЭМО на верхней палубе НК. Методика включает в себя ряд стандартных шагов:
а) создание модели анализируемого корпуса НК, в том числе:
1) создание трехмерной графической модели корпуса НК (чертежа);
2) задание параметров материалов, из которых состоит корпус НК;
б) определение электродинамических параметров структуры, включающее:
1) задание граничных условий на поверхностях, формирующих корпуса НК;
2) определение и калибровка портов;
3) задание параметров решения;
в) электродинамический анализ ЭМО, в том числе:
1) анализ ЭМО в полосе частот;
2) параметрический анализ РЭС;
3) параметрическая оптимизация размещения РЭС на корпусе;
Рис. 1. Структурная схема методики определения ЭМО на НК с учетом геометрических параметров корпуса и мест размещения антенно-фидерных устройств
Рис. 2. Алгоритм методики расчета ЭМО НК с учетом геометрических параметров корпуса и мест размещения антенно-фидерных устройств
г) визуализация результатов электродинамического анализа ЭМО, включающая:
1) построение графиков в декартовых, полярных координатах, диаграмм Смита, диаграмм направленности и т. д.;
2) анимация распределений электромагнитного поля;
3) сохранение результатов анализа в файлах данных.
Алгоритм методики представлен на рис. 2.
На первом этапе (препроцессинг) осуществляется ввод исходных данных и построение трехмерной компьютерной модели (ТКМ) корпуса НК. В блоке 5 на ТКМ отображаются области с различными диэлектрическими свойствами. В блоке 6 для каждого антенного элемента (АЭ) НК создается компьютерная модель. Затем в блоке 7, в соответствии со спецификацией на НК, осуществляется размещение АЭ на корпусе корабля. Затем с учетом ТТХ РЭС из базы данных (блок 17) осуществляется распределение источников ЭМП по диапазонам частот (блок 18) и закрепление передатчиков за антеннами (блок 8). Для каждого передатчика определяется уровень основного и нежелательного излучения.
На втором этапе происходит выбор решателей (R,) в соответствии с поставленной задачей и имеющимся вычислительным ресурсом (блоки 10 и 19). В блоках 11, 20 и 22 различными математическими методами (МоМ, FEM и PO) решаются электродинамические задачи. Результаты решения электродинамических задач, полученные для различных частот, используются на третьем этапе (блок 21) для построения интерференционной картины ЭМП.
В блоках 23 и 26 по выбранному критерию принимается решение о состоянии ЭМО на палубе корабля и ее влиянии на РЭС и личный состав. При необходимости в блоке 24 принимается решение по разработке организационно-технических предложений по защите личного состава от негативного воздействия ЭМП, а в блоке 25 решается задача оптимального размещения АЭ на корпусе корабля.
В качестве примера по алгоритму разработанной методики был проведен расчет ЭМО, создаваемой двумя передатчиками, работающими на четверть волновые штыри. Рабочий диапазон — 600 МГц. Мощность, подводимая к первой антенне, — 800 Вт, ко второй — 200 Вт. Результаты расчета напряженности электромаг-
а)
Рис. 3. Интерференционная картина напряженности ЭМП от двух источников
нитного поля, проведенного с помощь решателя конечных элементов, приведены на рис. 3.
Приведенные результаты расчетов показывают, что с помощью разработанной методики расчета ЭМО НК с учетом геометрических параметров корпуса и мест размещения антенно-фидерных устройств можно оценивать ЭМО на кораблях в целях обеспечения ЭМС РЭС.
Заключение
Для решения задачи дифракции в ближней зоне от N излучателей была разработана мето-
дика расчета электромагнитной обстановки надводного корабля и при возбуждении объектов сложной формы излучателем (антенной). В разработанной методике использованы численные методы: метод конечных элементов, метод моментов и метод конечных разностей во временной области. Для оценки влияния сложной геометрии корпуса корабля предлагается использовать метод физической оптики.
Разработанная методика может использоваться для оценки ЭМС РЭС на этапе проектирования и изготовления НК.
