CC BY
15
Важно отметить, что описанный алгоритм имитационной модели канала связи с краевыми искажениями в части оценки средней величины телеграфных искажений и тактовой синхронизации может быть без каких-либо изменений использован в реальной приемной аппаратуре.
VI Выводы и заключение
Полученное выражение (2) для оперативной оценки вероятности ошибки по средней величине телеграфных искажений можно рекомендовать для разработки алгоритмов оперативной оценки качества принимаемого сигнала в проектируемых каналах связи способных адаптироваться к быстро меняющимся условиям связи.
Описанный способ оценки вероятности ошибок по средней величине телеграфных искажений одновременно решает как эту задачу, так и задачу регенерации элементарных посылок принимаемого сообщения.
Список литературы
1. Васин В. А., Власов И. Б., Егоров Ю. М. [и др.]. Информационные технологии в радиотехнических системах I под ред. И. Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 768 с.
2. Gomes Ruan D., Alencar Marcelo S., Queiroz Diego V., Fonseca Iguatemi E., Cesar Benavente-Peces Comparison Between Channel Hopping and Channel Adaptation for Industrial Wireless Sensor Networks. 2017. URL: https://www.researchgate.net/publication/313853257_ Conference Paper. (дата обращения 27.06.2019).
3. Косых А. В., Хазан В. Л. Способ оценки качества нестационарных каналов радиосвязи по величине телеграфных искажений II Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т. 5, № 4. С. 28-33. DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-28-33.
4. Косых А. В., ,Хазан В. Л. Оценка вероятности ошибок по величине телеграфных искажений II Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Том 6, № 4. С. 32-39. DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-32-39.
5. Венцель Е. С. Теория вероятностей. М.: КНОРУС, 2010. 664 с.
6. Абдуллаев Д. А., Арипов М. Н. Передача дискретных сообщений в задачах и упражнениях. М.: Радио и связь, 1985. 128 с.
7. G.E.P. Box, Mervin E. Muller. A note on the generation of random normal deviates // The Annals of Mathematical Statistics. 1958. Vol. 29, no.2. P. 610-611.
8. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. М. : Издательский дом «Вильямс», 2007. 1104 с.
9. Васильев К. К. Глушков В. А., Дормидонтов А. В., Нестеренко А. Г. Теория электрической связи: учеб. пособие I под общ. ред. К. К. Васильева. Ульяновск: УлГТУ, 2008. 452 с.
УДК 621.396.67.012.12
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ОБЛАСТИ С ПОГЛОЩАЮЩИМИ ГРАНИЧНЫМИ УСЛОВИЯМИ НА РЕЗУЛЬТАТ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ ДКМВ ДИАПАЗОНА
INFLUENCE OF AREA DIMENSIONS WITH ABSORBING BOUNDARY CONDITIONS ON THE
RESULTS OF NUMERICAL MODELING OF HF ANTENNA DIRECTIVITY DIAGRAM OF HF
10 О 10 ^
С. В. Кривальцевич , , А. С. Ященко , К.А Майненгер , , О. И. Кудрин
'Омский научно-исследовательский институт приборостроения, г. Омск, Россия 2Институт радиофизики и физической электроники ОНЦ СО РАН, г. Омск, Россия 3Центральное конструкторской бюро автоматики, г. Омск, Россия
S. V. Krivaltsevich1,2, A. S. Yashchenko2, K.A. Maynenger1,2, O.I. Kudrin3
'Omsk Scientific-Research Institute of Instrument Engineering, ONIIP JSC, Omsk, Russia 2Institute of Radiophysics and Physical Electronics IRPE ОSС SB RAS, Omsk, Russia 3Central design Bureau of automation CKBA JSC, Omsk, Russia
Аннотация. Излучающие системы декаметровых волн (ДКМВ) размещаются непосредственно на подстилающей поверхности. По этой причине состояние почвы оказывает заметное влияние на диаграмму направленности антенны. Численное моделирование позволяет определить диаграмму направленности антенны при разных состояниях подстилающей поверхности с приемлемой точностью за короткий промежуток времени. Однако полученные по итогам моделирования результаты будут зависеть от размера области в пределах которой осуществляется решение задачи электромагнитного моделирова-
ния. В работе приведены результаты анализа влияния размеров области с поглощающими границами, ограничивающими излучающую систему, на вид полученной в процессе численного моделирования диаграммы направленности.
Ключевые слова: диаграмма направленности, численное моделирование, подстилающая поверхность.
Б01: 10.25206/2310-9793-7-2-232-237
I. Введение
Направленные свойства антенны, как элемента системы излучения\приёма электромагнитных волн, являются одной из её основных характеристик. Натурный и лабораторный эксперименты являются наиболее достоверными способами определения диаграммы направленности (ДН) антенны. Однако для излучающих систем с характерным размером в десятки метров, например, функционирующих в декаметровом диапазоне волн (ДКМВ), проведение подобных измерений для полноразмерных антенн либо затруднительно (натурный эксперимент), либо невозможно вовсе (лабораторный эксперимент). Известен подход при котором исследуются уменьшенные модели антенн при сохранении радиофизических свойств поверхности, на которых они расположены [1]. Определить направленные свойства излучающих систем в процессе строгого решения уравнений Максвелла возможно для относительно простых антенных конструкций. В случае если антенна сложной геометрической формы расположена на поверхности неидеального диэлектрика, аналитические методы для расчета ее ДН не пригодны; определить направленные свойства излучающей системы с приемлемой точностью без проведения натурного эксперимента возможно лишь в результате численного моделирования.
Дифференциальные уравнения широко используются при описании динамических процессов. Функционирования программных пакетов компьютерного моделирования основано на численном решении дифференциальных уравнений. В программных пакетах электродинамического моделирования используются следующие методы численного решения дифференциальных уравнений: метод конечных элементов (МКЭ), метод конечных разностей во временной области (МКР), метод моментов и др. [2]. Отличительными особенностями МКР являются простота программной реализации и возможность создания анимации электродинамических процессов. Однако МКР позволяет создавать лишь грубые модели объектов в виде совокупности кубических элементов [3, 4]. Более универсальным методом численного решения уравнений Максвелла, используемых в пакетах программ электродинамического моделирования, является МКЭ [5]. Суть метода конечных элементов заключается в том, что все исследуемое пространство разбивается на совокупность элементарных элементов: треугольники для двухмерного случая и тетраэдры для трехмерного пространства. При этом размеры элементарных элементов должны быть достаточно малы для того, чтобы описать поле в его пределах простой функцией или системой функций с неизвестными коэффициентами, которые можно найти из уравнений Максвелла и граничных условий. В результате электродинамическая задача сводится к системе линейных алгебраических уравнений относительно этих коэффициентов, а выбранный метод представления антенны кусочно-линейной структурой подходит для ее решения.
Нетрудно понять, что высокая степень соответствия результатов численного моделирования и данных, полученных в процессе натурного эксперимента, достигается при малом размере элементарных элементов относительно характерных размеров неоднородностей исследуемого тела. Также точность результатов численного моделирования определяется типом поглощающих границ области, в пределах которой осуществляется решение электродинамической задачи [6, 7]. Считается, что при удалении элементов излучающей системы от поглощающих границ на расстояние, не менее чем в четверть длины волны, вид полученной в результате моделирования ДН будет аналогичен направленным свойствам системы, находящейся в свободном пространстве [8]. В случае, если неидеальный диэлектрик, на котором установлена антенна, является частью излучающей системы, размер области в пределах которой осуществляется решение электродинамической задачи будет оказывать влияние на результат, полученный в ходе моделирования. Примером такой конструкции может являться антенна ДКМВ диапазона, установленная на поверхности почвы. Несмотря на очевидность указанной проблемы, в результате проведенного обзора авторам не удалось найти работы, посвященные исследованию влияния размера области, в пределах которой осуществляется решение электродинамической задачи, на результат, полученный в ходе моделирования, что определяет актуальность исследования.
II. Описание модели
Нами исследовались направленные характеристики антенны «Широкополосный вертикальный излучатель» (далее - ТТТВИ), отличающейся относительно малыми для ДКМВ габаритами в 10х10х10 м (см. рис. 1). Такой размер антенны позволяет существенно сократить площадь для ее размещения, сделать мобильной. Кроме того, в конструкции антенны ТТТВИ отсутствуют диссипативные элементы [9]. Антенна отличается достаточной равномерностью коэффициента усиления и всенаправленной диаграммой направленности в азимутальной плоскости в диапазоне частот 3-30 МГц.
2
Рис. 1. Схематический вид антенны ШВИ: 1 - мачта; 2 - верхнее собирательное кольцо; 3 - излучатели;
4 - фиксирующий замок; 5 - диэлектрические распорки; 6 - нижнее собирательное кольцо;
6д - дополнительное нижнее собирательное кольцо; 7 - основание антенны;
8 - оттяжки; 9 - радиальные противовесы
Процесс моделирования проводился для фиксированной частоты в 10 МГц. Нами использовались данные о радиофизических характеристиках почв, полученные в лабораторных условиях (табл. 1) [10]. Ранее было показано, что приведенные в Рекомендациях Международного союза по электросвязи (МСЭ) данные о радиофизических характеристиках не согласуются с данными лабораторных измерений [11].
ТАБЛИЦА 1
РАДИОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЧВЫ
Частота, МГц Действительная часть КДП Проводимость, мСм /м
Объемная влажность Объемная влажность
10% 26% 33% 10% 26% 33%
10 21,5 29,6 41,0 32 113 171
Моделирование проводилось в специализированной программной среде. Модель антенны ШВИ располагалась на однородном гладком диэлектрике с радиофизическими характеристиками аналогичными характеристикам почвы на частоте 10 МГц (рис. 2). Область, в пределах которой осуществлялось моделирование, представлял собой параллелепипед с квадратным основанием. Сторона квадратного основания изменялась в диапазоне значений 30-200 м; в аналогичных пределах изменялся размер диэлектрика в горизонтальной плоскости. Высота параллелепипеда изменялась в процессе изменения толщины диэлектрика. В процессе моделирования толщина слоя диэлектрика, находящаяся в пределах области моделирования, принимала значения 0,5, 1, 5 и 10 метров. Данные толщины либо значительно превышали толщину скин-слоя, либо были сопоставимы с ней (рис. 3). Толщина слоя, вносящая основной вклад в излучение/отражение поверхности, определялась по некогерентной модели излучения приведенной в [12].
Рис. 2. Модель антенны ТТТВИ, расположенная на диэлектрике конечной толщины
1,2
I
% 0,4
Толщина слоя почвы, м
Рис. 3. Вклад в общее отражение поверхности слоев почвы разной толщины. W - объемная влажность почвы (относительная доля воды в единице объема почвы). ¿¡-0,19 м, ¿¡-0,23 м, ¿¡-0,6 м - значения толщины
скин-слоя для соответствующей влажности
Ш.Результаты моделирования В результате проведенного численного моделирования было выяснено, что наибольшее изменение значений коэффициента усиления при изменении размеров области моделирования в горизонтальной плоскости наблюдается для зенитных углов близких к 0° (отсчет угла ведется от направления в зенит). Расчет велся для фиксированной толщины слоя диэлектрика в 5 м (табл. 2).
ТАБЛИЦА2
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ АНТЕННЫ ТВИ ДЛЯ СЛОЯ ПОЧВЫ 5 М
Значения зенитного угла Объёмная влажность, %
10 10 26 26 33 33
Сторона основания Сторона основания Сторона основания
50 м 200 м 50 м 200 м 50 м 200 м
0 -21,2 -24,2 -20,7 -16,4 -23,4 -16,3
5 -16,1 -16,4 -17,8 -13,3 -19,4 -13,3
10 -11,8 -12,2 -13,9 -10,4 -14,4 -10,3
15 -8,8 -9,3 -10,7 -7,8 -10,9 -7,8
20 -6,7 -7,0 -8,2 -5,8 -8,7 -5,8
30 -3,7 -4,8 -4,8 -3,8 -5,2 -3,8
Значения зенитного угла Объёмная влажность, %
10 10 26 26 33 33
Сторона основания Сторона основания Сторона основания
50 м 200 м 50 м 200 м 50 м 200 м
40 -1,3 -2,3 -2,4 -1,8 -2,6 -1,8
50 0,1 -1,0 -0,2 -0,4 -0,5 -0,3
60 1,4 2,4 1,4 2,2 1,4 2,2
70 2,4 3,2 3,1 3,6 3,5 3,7
80 1,2 1,7 3,0 3,0 2,8 3,4
85 -2,3 -1,0 0,0 0,5 0,7 1,1
Изменения толщины диэлектрика также приводили к изменению вида ДН, полученной в результате моделирования (табл. 3.). Стоит отметить, что небольшие изменения значений G антенны наблюдались при толщинах слоя диэлектрика, значительно превышающих глубину скин-слоя. При этом вид ДН изменялся изменении влажности почвы. Изменение объемной влажности почвы от 10% до 33% приводило к изменению G антенны на 4 дб для зенитных углов близких к 90°.
ТАБЛИЦА 3
ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ АНТЕННЫ ШВИ ПРИ СТОРОНЕ ОСНОВАНИЯ 50 М
Значения зенитного угла Объемная влажность почвы
10% 33%
Толщина диэлектрика, м Толщина диэлектрика, м
0,5 1 5 10 0,5 1 5 10
0 -21,8 -19,2 -21,2 -21,4 -20,0 -20,0 -23,4 -24,3
5 -18,8 -17,8 -16,1 -18,0 -18,5 -18,5 -19,4 -19,8
10 -13,3 -13,6 -11,8 -13,4 -13,9 -13,9 -14,4 -14,3
15 -9,8 -10,3 -8,8 -10,1 -10,5 -10,5 -10,9 -10,6
20 -7,1 -7,7 -6,7 -7,7 -7,8 -7,8 -8,7 -8,1
30 -3,6 -4,1 -3,7 -4,2 -4,6 -4,6 -5,2 -4,9
40 -1,4 -1,8 -1,3 -2,0 -2,2 -2,2 -2,6 -2,5
50 0,2 0,0 0,1 -0,3 -0,1 -0,1 -0,5 -0,4
60 1,4 1,1 1,4 1,2 1,8 1,8 1,4 1,5
70 2,4 2,3 2,4 2,1 3,3 3,3 3,5 3,1
80 1,6 1,0 1,2 1,1 3,5 3,5 2,8 3,4
85 -3,1 -2,9 -2,3 -2,5 1,7 1,7 0,7 1,5
IV. Заключение
Проведенный анализ данных показал, что изменение геометрии области, в пределах которой осуществляется моделирование ДН антенны ДКМВ диапазона, оказывает влияние на полученные результаты. Несмотря на небольшие по величине отличия в значениях G, данный эффект необходимо учитывать при анализе полученных в процессе моделирования результатов. Изменение влажности почвы (и радиофизических характеристик, с ней связанных) приводит к заметно большему изменению G антенны, особенно для зенитных углов близких к 90°.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена по государственному заданию Омского научного центра СО РАН в соответствии с Программой ФНИ ГАН на 2013-2020 годы (номер госрегистрации проекта в системе ЕГИСУ НИОКТР АААА-А19-119052890058-2).
Список литературы
1. Пат. 2570600 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/10. Способ моделирования при разработке антенн / Бобров П. П., Кривальцевич С. В. № 2014130593/28; заявл. 22.07.2014; опубл. 10.12.2015. Бюл. № 34.
2. Банков С. Е., Курушин А. А. Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР. М.: Солон-Пресс, 2008. 276 с.
3. Kane Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1966. Vol. 14, no. 3. P. 302-307.
4. Choi D. H., Hoefer W. J. The finite-difference time-domain method and its application to eigenvalue problems // Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on. 1986. Vol. 34. P. 1464-1470.
5. Demerdash N., Nehl T., Fouad F. Finite element formulation and analysis of three dimensional magnetic field problems // IEEE Transactions on Magnetics. 1980. Vol. 16, no. 5. P. 1092-1094.
6. Mur G. Absorbing boundary conditions for the finite-difference approximation of the time-domain electromagnetic field equations // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 1981. Vol. 23, no. 4. P. 377-382.
7. Berenger J. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves // Journal of Computational Physics. 1994. Vol. 114, no. 2. P. 185-200.
8. Григорьев А. Д. Методы вычислительной электродинамики. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012. 430 с.
9. Пат. 2289180 Российская Федерация. МПК H 01 Q. Широкополосный вертикальный излучатель / Ма-ренко В. Ф. № 2005102304/09; заявл. 31.01.2005; опубл. 10.12.2006. Бюл. № 34.
10. Бобров П. П., Кривальцевич С. В., Крошка Е. С. Учет частотной зависимости диэлектрической проницаемости грунтов при проектировании и моделировании приземных антенн // Техника радиосвязи. 2015. № 4. С. 72-79.
11. Кривальцевич С. В., Ященко А. С., Майненгер К. А., Кудрин О. И., Зубков М. П., Влияние подстилающей поверхности на направленные характеристики антенн ДКМВ диапазона // Актуальные проблемы радиофизики: материалы 8 Междунар. науч.-практич. конф. (АПР 2019), 1-4 октября 2019, Томск (принято к печати).
12. Liu P. W., De Roo, England A. W., Judge J., Impact of moisture distribution within the sensing depth on Land C-Band emission in sandy soils // IEEE J. Sel. Topics Appl. Earth Observ, Apr. 2013.Vol. 6, no. 2. P. 887-899.
УДК 621.317.799:621.3.049.771
ГЕНЕРАЦИЯ ТЕСТ-ВЕКТОРОВ ДЛЯ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ
GENERATION OF TEST VECTORS FOR TEST SYSTEMS OF ELECTRONIC MODULES
А. В. Никонов
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. V. Nikonov
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. Актуальность темы заключается в обеспечении решения задач создания оборудования для испытательных систем сложных изделий электронной техники. Цель - обеспечить эффективность устройств для генерации тест-векторов при испытаниях больших и сверхбольших интегральных схем. Задача - оптимизация алгоритма генерации по критериям максимальной длины тест -последовательности и минимальных аппаратных затрат. Решается задача построения блок-схемы алгоритма генерации тест-векторов для создания периодических и нерегулярных тестовых воздействий -при работе испытательных систем в широком диапазоне частот. Результатом является структура, объединяющая генератор тест-векторов с мультиплексированием в один канал, что позволяет реализовать тест-последовательность до частоты 1 ГГц. Выводы указывают на то, что предложенная конфигурация является компромиссом между минимальным объемом памяти при длинных тест-последовательностях и быстрой перезагрузкой канала без перерыва в генерации.
Ключевые слова: диапазон УВЧ, испытательная система, тест-вектор, изделия электронной техники, кодовое слово.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-237-244
