Разработка пакета программ для расчета фазированной антенной решетки

Содержание
 
Аннотация
Введение
1.Обзор литературных источников
1.1Метод наводимых ЭДС
1.2 Методпарциальной диаграммы направленности
1.3Методы на основе теории бесконечных периодических структур
2.Расчет полевых и импедансных характеристик ФАР
2.1Входное сопротивление элемента бесконечной периодической линейной решетки
2.2Расчет взаимного сопротивления полосковых излучателей в составе бесконечнойлинейной решетки
2.3Расчет взаимного сопротивления в двумерной плоской ФАР
2.4Расчет входного сопротивления излучателя с учетом взаимных связей
2.5Определение полевых характеристик ФАР
3.Программы для расчета характеристик ФАР
3.1Общие сведения
3.2Программа для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР
3.2.1 Описаниеприменения
3.2.2 Методикаиспытаний
3.2.3 Руководствопользователя
3.2.4 Описаниепрограммы
3.3Программа для характеристик ФАР в полосе частот
3.3.1 Описаниеприменения
3.3.2 Методикаиспытаний
3.3.3 Руководствопользователя
3.3.4 Описаниепрограммы
3.4Программа для расчета входного сопротивления изолированного излучателя
3.4.1 Описаниеприменения
3.4.2 Методикаиспытаний
3.4.3 Руководствопользователя
3.4.4 Описаниепрограммы
3.5Программа для расчета взаимного сопротивления между излучателями
3.5.1 Описаниеприменения
3.5.2 Методикаиспытаний
3.5.3 Руководствопользователя
3.5.4 Описаниепрограммы
4.Результаты расчетов
4.1Взаимное сопротивление
4.2Диаграмма направленности ФАР
4.3Частотные характеристики ФАР
5.Технико-экономическое обоснование дипломной работы
5.1Краткая характеристика работы
5.2Определение затрат на создание программы
5.2.1 Расходы пооплате труда разработчиков программы
5.2.2 Среднечасоваяоплата разработчика
5.2.3 Затраты пооплате машинного времени
5.2.4 Общие затратына создание программы
6.Безопасность и экологичность дипломной работы
6.1Краткая характеристика работы
6.2Безопасность проекта
6.2.1 Электробезопасностьрабочего места
6.2.2Пожаробезопасность рабочего места
6.2.3 Микроклиматрабочего места
6.2.4 Освещенностьрабочего места
6.2.5 Шумы ивибрации на рабочем месте
6.3Эргономичность проекта
6.3.1 Рабочее местооператора ЭВМ
6.3.2 Оценкакачества программных средств
6.4Экологичность проекта
6.5Особенности проектирования антенно-фидерных устройств к воздействию сильныхэлектромагнитных излучений. Возможный характер повреждений
6.5.1 Экранирование
6.5.2 Фильтрация
6.5.3 Заземление
Заключение
Приложение1
Библиографическийсписок
 
Аннотация
В дипломной работе на основе методабесконечных периодических структур был разработан пакет программ, позволяющийрассчитать полевые и импедансные характеристики плоской двумерной фазированнойантенной решетки (ФАР), выполненной из полосковых вибраторов или резонансныхизлучателей на многослойном диэлектрической подложке, с учетом и без учетавзаимной связи между излучателями как на фиксированной частоте, так и в полосечастот. Кроме того, пакет включает в себя программу для расчета взаимногосопротивления между излучателями и программу для расчета входного сопротивленияизолированного излучателя.
Были произведены расчеты зависимостивзаимного сопротивления от расстояния между излучателями при различныхдиэлектриках, характерисик ФАР в полосе частот при различных диэлектриках иколичества излучателей в решетке.
/>Введение
Фазированные антенные решетки (ФАР) благодаря возможности быстрого и гибкого измененияамплитудно-фазового распределения в излучающей структуре нашли широкоеприменение в радиотехнических системах связи, локации и навигации.
Элементная база современных ФАР весьмаразнообразна: это и традиционные вибраторы, и щелевые излучатели, рупоры,спирали, зеркальные антенны и т.д. Особое место в этом перечне занимаютполосковые излучатели. Применение интегральной технологии при их изготовлениипозволяет удовлетворить весьма жестким требованиям к электродинамическим,аэродинамическим, габаритным, весовым, экономическим, конструктивным и другимпараметрам.
Развитие и усложнение ФАР привело кразработке новых и усложнению известных методов расчета основных характеристик.Конструирование и расчет антенн значительно усложнились из-за увеличения числапараметов, определяющих характеристики антенн, а также из-за стремленияоптимизировать характеристики или более точно их рассчитать.
В антенных решетках имеет местосложное явление взаимодействия излучателей, проявляющееся в изменениинаправленности и входного сопротивления излучателя при его включении в ФАР.Взаимная связь вызывает изменение входного сопротивления каждого элемента, чтоприводит к рассогласованию и отражению энергии в фидерной линии обратно кисточнику. Резкое рассогласование может вызвать эффект ослепления, когдапрактически прекращаются излучение и прием электромагнитных волн. Взаимноевлияние приводит также к изменению фазового и амплитудного распределения поантенным элементам. Это в свою очередь приводит к изменению диаграммынаправленности, КНД, искажению поляризационных характеристик.
В настоящее время интенсивноразрабатывается теория учета взаимных связей в антенных решетках. Инженерныеметоды расчета взаимодействия излучателей в составе ФАР известны только длянекоторых типов антенн. Учет этого взаимодействия, изменяющегося при управлениифазовым распределением, в значительной мере затрудняет расчет ФАР.
Одним из методов, позволяющихучитывать взаимные связи в антенных решетках, является метод бесконечныхпериодических структур, рассмотренный в [1, 2]. В этом методе сначаларассчитывают входные сопротивления излучателей путем решения интегральногоуравнения Фредгольма, ядром которого является тензорная функция Грина областей,частично заполненных диэлектриком. Затем методом Галеркина находятся взаимныесопротивления между излучателями и далее все остальные импедансные и полевыехарктеристики ФАР. Однако использование этого метода было ограничено из-засложности расчетов. В настоящее время при широком распространении ПЭВМ этазадача упростилась.
Целью данной дипломной работыявляется разработка программы для ПЭВМ, позволяющей использовать вышеописанныйметод специалистам, работающим в данной области радиотехники.
/>/>1. Обзор литературных источников
Прогресс техники антенных решеток стимулировалрост числа теоретических работ, посвященных ислледованию электродинамическиххарактеристик ФАР. Элементарная теория антенных решеток рассматривается в [3, 4].Здесь полагается, что решетка представляет совокупность независимыхиндивидуальных излучателей, а характеристики излучения ФАР зависят лишь отпространственного расположения отдельных излучателей, а также от распределенияамплитуд и фаз токов, заданных на излучателях.
Наряду с этим, в работах [5, 6, 7]приводятся различные методы учета взаимного влияния между излучателями в антенныхрешетках. Кратко охарактеризуем эти методы.
Возможны два способа оценки взаимнойсвязи между элементами антенной решетки. Первый способ состоит в оценкеизменения входного сопротивления элемента за счет взаимного влияния. Второйспособ состоит в оценке изменения диаграммы направленности элемента,изолированного от влияния соседних элементов. Для нахождения взаимныхсопротивлений существует множество методов как точных, так и приближенных.Кроме этого, все методы можно рассматривать с точки зрения поэлементногоподхода, который полезен при анализе решеток малых размеров и подхода на основебесконечных периодических структур, применяемого в случае больших решеток./>1.1 Методнаводимых ЭДС
Одним из методов поэлементногоподхода является метод наводимых ЭДС, подробно рассмотренный в [5]. Системуизлучателей представляют эквивалентным четырехполюсником. Например, впростейшем случае, когда рассматривается два связанных вибратора, схема ихзамещения выглядит как на рис. 1.1.
/>

Рис. 1.1 Связанныевибраторы и их схема замещения
Диагональные элементы в матрицесопротивлений />и />представляют собственные сопротивления вибраторов.Недиагональные элементы />и /> являются взаимными сопротивлениями, учитывающимиэлектромагнитную связь между вибраторами. Взаимные сопротивления равны, еслисреда между излучателями изотропна. Для схемы замещения может быть записаноследующая система уравнений Кирхгофа:
/>(1.1)
Известно, что если проинтегрироватьпоток вектора Пойтинга по бесконечно удаленной поверхности, охватывающей всеэлементы антенной решетки, то это даст возможность вычислить величину активноймощности, излучаемой всеми антеннами, а вместе с тем и активные составляющиесобственных сопротивлений каждой антенны антенны и активные составляющиевзаимнх сопротивлени между ними. Реактивная составляющая сопротивленийопределяется по известной частотной зависимости активной составляющей./>1.2 Метод парциальной диаграммы направленности
Другим методом исследования взаимнойсвязи, который подробно излагается в [7], является метод парциальной диаграммынаправленности. Этот метод предполагает исследование диаграмм направленности икоэффициентов усиления излучателей в решетке.
Когда какой-либо излучатель антеннойрешетки находится в окружении остальных элементов, нагруженных на пассивныесопротивления, невозбужденные элементы также проявляют свое участие в излучениирешетки. Измеренная при этом парциальная диаграмма направленности излучателяпозволяет:
а) в случае возбуждения всехизлучателей антенной решетки больших, но конечных размеров суперпозицией такихдиаграмм получить истинную ДН решетки,
б) измеренную парциальную диаграммуможно использовать для вычисления действующего входного сопротивления илисоответствующего ему коэффициента отражения, что особенно эффективно приприменении к решеткам со сложными излучателями, когда теоретический анализоказывается затруднительным.
Это метод может оказаться весьмаполезным при практическом исследовании взаимного влияния в АР или при проверкетеоретически полученных результатов.
/>1.3 Методына основе теории бесконечных периодических структур
Для анализа больших эквидистантных АРразработан целый ряд методов, суть которых заключается в том, что АР заменяютбесконечной открытой периодической структурой и анализ поля проводят вединичной периодической ячейке такой структуры. Важным преимуществом такогоподхода является то, что решение необходимо искать только для однойпериодической ячейки АР, что позволяет найти достаточно точное решение приневысоком порядке решаемых уравнений.
Метод спектрального анализа,рассмотренный подробно в [6], применим в основном для эквидистантных АР,составленных из одинаковых излучателей. Мощным средством теоретическогоисследования таких периодических структур является аппарат рядов Фурье идискретного преобразования Фурье (ДПФ).
Основным недостатком следует считатьневозможность учета конечных размеров АР и краевых эффектов.
Метод единичной ячейки, рассмотренныйв [7], применяется для анализа больших АР, состоящих из идентичных излучателей,возбуждаемых с одинаковой амплитудой и одинаковой разностью фаз между соседнимиэлементами. Суть метода заключается в том, что все пространство АР делится двечасти: нижнюю, где помещается система питания, и верхнюю, в которую решеткаизлучает. В верхней части вокруг одного из излучателей образуют единичнуюячейку, состоящую из двух электрических и двух магнитных стенок, простирающихсядо бесконечности. Стенки располагают таким образом, чтобы выполнялись граничныеусловия и тем самым не нарушалась структура поля, сформированного под воздействиемвзаимного влияния элементов. После введения стенок можно пренебречь полем внеединичной ячейки, а саму ячейку можно рассматривать как своего рода волновод.Все взаимные связи между щелями учитываются автоматически. Такой подходпозволяет использовать хорошо развитую теорию волноводов.
/>/>2. Расчет полевых и импедансныххарактеристик ФАР
Результаты, полученные на основемодели бесконечных периодических структур, позволяют оценить свойствацентральных излучателей больших АР. Часто требуется выполнить расчеты для АРмалых размеров, либо исследовать краевые эффекты в больших АР. Расчет взаимныхсопротивлений можно выполнять и методами поэлементного подхода, но как правилоэто сложная электродинамическая задача. Решить данную задачу позволяетпроцедура, построенная на основе эквивалентности метода поэлементного расчетавходных сопротивлений излучателя в бесконечной АР и метода, основанного натеории бесконечных периодических структур [2]./>/>2.1Входное сопротивление элемента бесконечной периодической линейной решетки
Для линейной решетки полосковыхвибраторов, расположенных на многослойной диэлектрической подлжке (рис. 2.1) иимеющих распределение тока
/>, (2.1)
где />-единичныйвектор, входное сопротивление можно записать в виде [1]
/>, (2.2)
где J(y) –распределение тока по (2.1);

/> — скалярная компонента функции Гринапри разложении полей по волнам Е и Н.
/>, (2.3)
где /> — собственные функции [1];
/>-характеристические части функции Грина.
Записав выражения дляхарактеристических частей и собственных функций и подставив их в (2.2) и (2.3),получим выражение для расчета входного сопротивления вибратора, имеющегоструктуру как на рис. 2.1 и находящегося в составе бесконечной решетки спериодом B [1]
/>, (/>/>2.4)
где B=nA – периодрешетки;
/> — множитель, учитывающий распределение тока повибратору;
/>;
/>;
/>;
/>;
α – угол наклона излучателей в решетке(α=0° – параллельные излучатели, α=90° – коллинеарные излучатели).
Для слоистой структуры,представленной на рис. 2.1, проводимость в сечении /> определяется по следующимрекурентным формулам:
/>;
/>;
/>;
/>;
/>; />;
/>; />; />.
/>
Рис. 2.1 Геометрияполосковых излучателей на многослойной диэлектрической подложке

Выражение для расчета входного сопротивлениявибратора, имеющего структуру как на рис. 2.2и находящегося в составебесконечной решетки с периодом Bимеет следующий вид [1]
/>, (2.5)
Для слоистой структуры,представленной на рис. 2.2, проводимость в сечении /> определяется по следующимрекурентным формулам:
/>;
/>;
/>;
/>;
/>; />;
/>; />; />.
/>
Рис. />/>2.2 Полосковые излучатели на перевернутой диэлектрическойподложке

Разложение функции Грина по волнам Еи Н, используемые в данном случае, позволяет получить компактную и достаточно простуюзапись выражений для расчета входного сопротивления элемента, находящегося всоставе бесконечной периодической линейной решетки./>/>2.2Расчет взаимного сопротивления полосковых излучателей в составе бесконечнойлинейной решетки
При анализе антенных решеток конечныхразмеров необходимо знать взаимное сопротивление между излучателями. Одним изклассических методов расчета взаимных сопротивлений является метод наводимыхЭДС. Для простых типов излучателей, размещенных на воздушной подложке, удаетсяполучить либо аналитические, либо легко рализуемые алгоритмы расчета для ЭВМ.Однако, в тех случаях, когда в излучающей структуре располагается слоистыйдиэлектрик, расчет взаимных сопротивлений между излучателями существенноусложняется, так как кроме пространственных волн на взаимную связь междуизлучателями оказывают влияние поверхностные волны, направляемыдиэлектрическими слоями. Одним из решением проблемы является способ определениявзаимных сопротивлений между излучателями, в котором используются результатычисленных расчетов входного сопротивления излучателя в составе бесконечнойлинейной решетки [1, 2].
Рассмотрим бесконечную линейнуюрешетку излучателей, период которой может принимать дискретные значения nA, где n=1,2,3… Входное сопротивление решетки с периодом nA при синфазном и равноамплитудном возбужденииопределяется как
взаимное сопротивление междуцентральным и p – элементом решетки с периодом nA,

/>, (2.6)
где /> — взаимные сопротивления междуцентральным и p‑м элементом (p/>0) решетки с периодом nA, зависящее только от расстояниямежду излучателями;
/> — собственное сопротивлениецентрального излучателя.
В силу симметрии задачи (2.6) входное сопротивление можнозаписать в виде
/> (2.7)
Для того, чтобы определить взаимноесопротивление между центральным излучателем и соседним, находящимся нарасстоянии 1A, нужно из входного сопротивления АРс периодом 1А вычитать входное сопротивление АР с другими периодами, кратными1А так, чтобы при этом компенсировались все взаимные сопротивления кромеодного, интересующего нас. Рассмотрим это более подробно на примерах.
Разность входных сопротивленийцентральных элементов решеток с периодом 1А и 2А определяется как />.
/>
Рис. 2.3 Бесконечные линейные решетки сразными периодами

Так как /> (см. рис. 2.3), то эта разность входных сопротивлений равна сумме взаимныхсопротивлений центального элемента решетки с периодом 1А со всеми нечетнымиэлементами этой решетки. Далее рассмотрим бесконечные АР с периодом 3А и 6А.Если учесть, что /> и />, то разница между входными сопротивлениямицентральных элементов данных решеток />будет равна удвоенной сумме взаимных сопротивленийцентрального элемента решетки с периодом 1А с элементами этой же решетки,имеющими номера 3 (2p‑1).
Если продолжить аналогичныерассуждения далее, то можно составить процедуру.
В первой сумме n=3,5,7….-простые, во второй сумме />,/>-простые,
/> (/>/>2.8)
Из предыдущих рассуждений ясно, чтопри вычислении /> из входного сопротивления решетки с периодом 1Аисключаются собственное сопротивление центрального элемента и взаимные сопротивлениямежду этим элементом и элементами данной решетки с четными номерами. Привычитании из /> величины /> из рассмотрения исключаются взаимные сопротивлениямежду центральным элементом решетки с периодом 1А и элементами данной решетки сномерами 3 (2p‑1) (p=0, ±1, ±2, ±3.) и т.д.
Следовательно, при N→∞ величина />соответствует значению взаимногосопротивления двух излучателей, разнесенных на расстояние 1A. При расчетах взаимногосопротивления между двумя излучателями с заданной точностью требуется конечноечисло итераций N в (2.8), котороеопределяется скоростью сходимости значений входного сопротивления />(n→∞) к значению собственного сопротивленияизлучателя. При использовании в (2.8) N итераций величина ошибки вычисления взаимного сопротивления будет определятьсяследующим выражением:
/>, (2.9)
где />
p – числовая последовательность, покоторой осуществляется суммирование в процедуре (2.8);
/> — следующее за Nчисло этой числовойпоследовательности.
Для возбуждения пространственных волнвыражение (2.9) можно записать в следующем виде:
/>, (2.10)
где k –волновое число;
B – коэффициент пропорциональности.
В случае возбуждения поверхностныхволн выражение (2.9) можнозаписать в следующем виде:
/>, (2.11)
где /> — волновое число;
/> — коэффициент пропорциональности.
Ряд (2.10) является абсолютносходящимся, ряд (2.11) сходится для всех А за исключением значений, кратныхдлине поверхностной волны.
Следует остановиться на оценкебыстродействия данного алгоритма. Время счета одного значения взаимногосопротивления между излучателями складывается из времени счета 2·m значений входного сопротивленияизлучателя в составе бесконечной АР, где m – число слагаемых в процедуре (2.8)./>2.3 Расчетвзаимного сопротивления в двумерной плоской ФАР
Изложенный в предыдущем разделе методопределения взаимного сопротивления между излучателями в составе линейнойантенной решетки может быть применен и для расчета двумерных плоских ФАР.
Рассмотрим ФАР, изображенную на рис.2.4.Ее можно представить в виде нескольких линейных антенных решеток. Например,излучатели с номерами 0; 0 1; 0 2; 0 3; 0 представляют линейную решетку изпараллельных вибраторов (α=90°), а излучатели с номерами 0; 0 0; 1 0; 2 0;3 – линейную решетку из коллинеарных вибраторов (α=0°), см. рис. 2.5. Длярасчета взаимного сопротивления между 0; 0 и 1; 0 излучателем необходимосначала по (2.4) при фиксированном значении α=90° вычислить несколькозначений (N) входного сопротивления излучателя всоставе бесконечной решетки, имеющей периоды, которые равны и кратны расстояниюмежду рассматриваемыми элементами ФАР. Затем согласно процедуре (2.8) следуетопределить взаимное сопротивление, исходя из полученных N значений входного сопротивления.
Поскольку антенная решетка являетсяэквидистантной, то удобно проводить расчет входного сопротивления по (2.4) немежду конкретными парами излучателей, а при фиксированном угловом направлении(например,/>-см. рис. 2.5), в которомрасполагается выбранная линейная решетка из нескольких излучателей.

/>

Рис. 2.4 Плоская ФАР
В этом случае создается массиврасстояний, в котором исключаются повторяющиеся периоды, что сокращает числовычислений. Например, рассмотрим линейную решетку 0; 0 1; 0 2; 0 3; 0,расстояние между соседними излучателями составляет />. Если рассматривать взаимноесопротивление отдельно между каждой парой излучателей (0; 0 и 0; 1; 0; 0 и 0; 2и т.д.), то потребовалось бы составить следующие массивы расстояний для каждойпары:
(/>, 2/>, 3/>, 6/>…) – массив расстояний для пары 0; 0и 0; 1,
(2/>, 4/>, 6/>, 12/>…) – массив расстояний для пары 0; 0и 0; 2,
(3/>, 6/>, 9/>, 18/>…) – массив расстояний для пары 0; 0и 0; 3.
Если же рассматривать излучатели совместно,то потребуется один массив расстояний, в котором будут исключены повторяющиесяпериоды:
(/>, 2/>, 3/>, 4/>,6/>, 9/>, 18/> …) – массив расстояний при фиксированномугловом направлении.
Так как излучатели одинаковые, товзаимное сопротивление между 0; 0 и 0; 1 будет равно взаимному сопротивлениюмежду 0; 1 и 0; 2. Взаимное сопротивление между 0; 0 и 0; 2 будет равновзаимному сопротивлению между 0; 1 и 0; 3. Таким образом, при расчете взаимногосопротивления между излучателями ФАР достаточно рассчитать взаимноесопротивление между 0; 0 излучателем и всеми остальными. Взаимное сопротивлениемежду другими парами будет выбираться из ранее рассчитанных значений из условиясовпадения угла и расстояния между излучателями.
/>

Рис. />/>2.5Представление двумерной решетки в виде нескольких линейных решеток
Сделанные выше замечания позволяютсоздать алгоритм расчета взаимных сопртивлений между излучателями в составе плоскойФАР достаточно универсальным и значительно снижающим вычислительные затратымашинного времени по сравнению с решением задачи напрямую./>2.4 Расчетвходного сопротивления излучателя с учетом взаимных связей
Входное сопротивление излучателя всоставе антенной решетки и находящегося изолированно от других не равнозначны.Это объясняется наличием взаимной связи между излучателями в составе решетки.При сближении элементов взаимная связь возрастает и уменьшается ток каждогоотдельного элемента синфазной антенной решетки при неизменной подводимой кизлучателю мощности.
Систему входов АР размера /> описывает следующая матрицасопротивлений
/>, (2.12)
где /> — собственные сопротивления излучателей;
/> — взаимное сопротивление между i и j излучателями.
Амплитудное распределение можнопредставить в виде матрицы-столбца комплексных напряжений
/> (2.13)
Токи на излучателях можно представитьв виде матрицы-столбца комплексных токов
/> (2.14)
Тогда матрица сопротивлений [Z]однозначно связывает матрицунапряжений [U] и матрицутоков [I], согласно [3]

/>(2.15)
Амплитудное распределение в АРзадается заранее, матрицу взаимных сопротивлений [Z] можно вычислить, используя методику, описанную впредыдущих разделах работы, тогда матрицу токов [I] на элементах с учетом взаимных связей можноопределить через следующее выражение, записанное в матричной форме
/>, (/>/>2.16)
где матрица />имеет смысл матрицыпроводимости. В этом случае, входное сопротивление для каждого элементаантенной решетки с учетом взаимных связей можно записать в виде [3]
/>, (/>/>2.17)
где n=1…N;
N – общее число излучателей в ФАР.
Например, для ФАР из четырехэлементов входное сопротивление первого элемента будет иметь вид
/>.
/>2.5Определение полевых характеристик ФАР
В плоской двумерной ФАР, имеющейнаправление ориентации главного максимума диаграммы направленности />и /> (рис. 2.4) дискрет фазымежду излучателями по оси ОХ и ОYможно представить в следующем виде
/>
/>, (2.18)
где k – волновое число;
/>, />-шаг решетки по оси ОХ и ОYсоответственно.
В этом случае фаза на излучателяхбудет определяться выражением [3]
/>, (2.19)
где p=1..m и q=1..n– координатыизлучателя по оси ОХ и ОYсоответственно;
/>;/>-координаты центрального излучателя.
Разность хода лучей от центраизлучения решетки и конкретного излучателя до точки наблюдения с угловымипараметрами θ и φ составит
/> (/>/>2.20)
В силу линейности уравнений Максвеллаэлектромагнитное поле антенной решетки представляет собой сумму полей отдельныхэлементов. Если эти элемениы имеют равные размеры, характеризуются одним и темже законом распределения излучающих токов и ориентированы в пространствеодинаковым образом, то электромагнитное поле в дальней зоне может бытьпредставлено в виде произведения векторной диаграммы направленности одиночногоэлемента на множитель направленности АР [3]
/>, (2.21)
где /> — амплитудный множитель, зависящий от общей мощностикогерентных генераторов, питающих систему излучателей;
/> — векторная диаграмма направленностиодиночного элемента;
/> — множитель направленности АР.
В главной системе координат /> отдельных излучателей различаются навеличину />(2.20). Учитывая, чтокомплексные амплитуды возбуждения отдельных излучателей могут быть различными,получим следующее представление суммарной диаграммы направленности [3]
/>(2.22)
Сравнивая выражение (2.21) и (2.22)можно заметить, что множитель направленности АР имеет вид
/>, (2.23)
где p и q–координаты излучателя по оси ОХ и ОY соответственно;
/> — общее число излучателей в ФАР;
/> — разность хода лучей;
/> — комплексная амплитуда тока возбуждения на (p; q) излучателе.
Таким образом, если заданоамплитудное распределение, линейные размеры антенной решетки, то определив />по (2.19) и /> по (2.20)и приняв амплитуду тока />, равной амплитуде напряжения возбуждения, можно найтимножитель направленности АР без учета взаимной связи. Для учета взаимной связивместо расчета фазы возбуждения необходимо рассчитать по (2.16) комплекснуюамплитуду тока />и использовать эти значения в (2.23). Тип одиночногоизлучателя и его геометрия определяют его диаграмму направленности />, что позволяет, в конечном счете,рассчитать общую диаграмму направленности ФАР
/>/>(/>/>2.24)
/>/>3. Программы для расчета характеристик ФАР/>3.1 Общиесведения
В результате дипломной работы былсоздан пакет программ, предназначенный для расчета полевых и импедансныххарактеристик плоской ФАР, излучатели в составе которой представляют собойполосковые вибраторы или резонаторные излучатели, выполненные на многослойномдиэлектрике (см. рис.2.1 и рис.2.2). Для каждого типа диэлектрика разработансобственный пакет. Эти пакеты идентичны, имеют одинаковые алгоритмы расчета иинтерфейс, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только один из пакетов.
Программный пакет выполнен в рамкахматематического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001, который благодаря наглядной форме отображениярасчетных соотношений и результатов доступен для понимания пользователями.Кроме того, формулы, выходные данные, графики, построенные в данном пакете,могут быть легко импортированы в современные текстовые редакторы, такие как Word, что удобно при создании научныхстатей, отчетов и других работ.
Пакет, структурная схема пакетаприведена на рис. 3.1, включает четыре программы, каждая из которых выполняетопределенные функции:
· ФАР_вз_связь.mcd– центральная программа пакета и выполняет расчет определениеполевых и импедансных характеристик ФАР с учетом и без учета взаимной связимежду излучателями;
· вз_сопрот.mcd– вспомогательная программа пакета ипредназначена для исследования зависимости взаимного сопротивления излучателейот расстояния между ними;
· рез_размер.mcd– программа, вычисляющая входное сопротивление излучателяпри различной его длине и ширине. Эта программа может быть полезна приопределении резонансного размера излучателя bрез;
· ФАР_полоса.mcd– программа выполняющая расчет полевых и импедансныххарактерисик ФАР в полосе частот по результатам, полученным в программе ФАР_вз_связь.mcd. Эти результаты записаны в файлах данных.
/>

Рис. 3.1 Структурная схема пакетапрограмм
Программы связаны между собой спомощью гиперссылок, изображенные на рис.3.1 в виде стрелок, что позволяетудобно переходить от одной программы к другой не выходя из среды общей Mathcad. Это создает цельность структуры иобщность восприятия пакета.
/>/>/>3.2 Программа для расчета полевых иимпедансных характеристик ФАР/>3.2.1 Описание применения
Программа, имеющая название ФАР_вз_связь.mcdявляется центральной программойразработанного пакета и выполняет расчет характеристик плоской ФАР, выполненнойиз полосковых вибраторов или резонансных излучателей на многослойномдиэлектрической подложке, с учетом и без учета взаимной связи междуизлучателями. Выходными данными программы являются:
· входноесопротивление одиночного излучателя;
· входноесопротивление каждого илучателя ФАР с учетом взаимной связи, рассчитанное по (2.17);
· входноесопротивление ФАР и КСВ при последовательной схеме питания;
· входноесопротивление ФАР и КСВ при двоично-этажной схеме питания;
· матрица взаимныхсопротивлений (2.12);
· диаграмманаправленности ФАР с учетом и без учета взаимной связи, рассчитаная по (2.24).
Входные данные задаются пользователемвручную в тексте программы, состав входных данных представлен в разделе 3.2.4./>/>3.2.2 Методика испытаний
Объектом испытаний является файл сименем ФАР_вз_связь.mcd, которыйявляется программой для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР сучетом и без учета взаимной связи между излучателями. Целью испытаний являетсяпроверка точности работы программы на конкретной вычислительной установке. Вовремя испытаний следует проверить прохождение контрольного примера при решениизадачи с различными входными параметрами. Испытания следует проводить на той жевычислительной установке, на которой планируется эксплуатация программы.
Для проведения испытаний нужно иметь:
· установленныйматематический пакет Mathcad2001 или его более поздние версии;
· файл с именем ФАР_вз_связь.mcd;
· значения входныхданных, приводимых ниже;
· таблицу тестовыхрезультатов;
В качестве тестовой задачи выступаетрасчет АР с равноамплитудным возбуждением размером 2х2 на трех частотах:1600МГц, 1680МГц, 1740МГц. Полученные в ходе тестирования данные будут являтьсяисходными для тестирования программы ФАР_полоса.mcd. Общие исходные данные следующие:
· f0=1680МГц;
· f – одна из трех частот (1600 МГц, 1680 МГц, 1740 МГц);
· Nx=2,Ny=2;
· dx=0,5;dy=0,5;
· a=b=0,424;
· d1=3 мм,d2=1 мм;
· ε1=1;ε2=2,6; ε3=1; μ1= μ2=μ3=1;
· Δx=Δy=1;
· Θmax=φmax=0;
· ρл=50.
В результате трехкратного выполненияпрограммы (последовательно изменяется только значение частоты f) в той же директории, где расположенфайл ФАР_вз_связь.mcd,должны быть созданы три файла данных с именами: DataZ_2.6_1600_MHz.prn, DataZ_2.6_1680_MHz.prn, DataZ_2.6_1740_MHz.prn. Тексты этих файлов приведены вприложении 1.
/>/>3.2.3 Руководствопользователя
Программа ФАР_вз_связь.mcdявляется центральной программойпакета и выполняет расчет полевых и импедансных характеристик ФАР с учетом ибез учета взаимной связи между излучателями на одной фиксированной частоте.
Программа разработана в рамкахматематического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001 Professional. Требования к ресурсам вычислительной техники определяются, в первуюочередь, требованиями, предъявляемыми разработчиками данного математическогопакета.
Для выполнения программыпредъявляются следующие минимальные требования к вычислительной установке исистеме:
· вычислительнаяустановка типа IBM PC с процессором Pentium 133 MHz;
· наличие CD-ROM (для установки мат. пакета);
· операционнаясистема Windows 95 или Windows NT 4.0 или более поздние версии;
· объем оперативнойпамяти не менее 32MB (64 MB рекомендуется);
· объем свободногопространства на диске 1,4 MB (пакетпрограмм) +120 MB (Mathcad);
Для выполнения программы необходимо:
1. Загрузитьматематический пакет Mathcad;
2. Открыть файл сименем ФАР_вз_связь, имеющий расширение mcd;
3. В разделе Исходныеданные для расчета ввести числовые значения указанных там параметров,указывая размерность для абсолютных величин;
4. После вводаисходных данных для начала вычисления нужно нажать клавишу F9, если в установках не указаноавтоматическое вычисление. Ошибки, которые могут возникнуть на этом этапе – этопустое поле одной из входных величин или же неверно указанная (или вовсенеуказанная) размерность величины. Признаком начала вычислений служит мигающаялампочка курсора. Время вычисления зависит от типа процессора и составляет дляФАР размера 4х4 около 10 минут при использовании процессора Pentium II 650 MHz.
5. По окончаниирасчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора)должны быть построены графики, выведены числовые значения, которые могут бытьскопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word)./>/>/>/>3.2.4 Описание программы
Программа ФАР_вз_связь.mcdявляется центральной программойпакета и выполняет расчет определение полевых и импедансных характеристик ФАР сучетом и без учета взаимной связи между излучателями. Результаты расчета в видефайлов данных являются исходными для программы полоса.
Алгоритм расчета взаимногосопротивления, используемый для расчетов, основан на методе бесконечныхпериодических структур, описанный подробно в [1, 2] и в разделах 2.1 и 2.2данной дипломной работы.
Блок-схема программы представлена нарис. 3.2. В программе можно выделить три части, обозначенные в тексте программыв виде заголовков:
1. Исходныеданные для расчета
В этой части производится вводследующих параметров ФАР:
· f0, f – центральнаячастота и частота для расчетов;
· Nx, Ny – количество излучателей вдоль оси ОХ, OY;
· dx, dy – шаг решетки вдоль оси ОХ, OY;
· a, b – ширина и длина одиночного излучателя;
· d1, d2– толщина слоевдиэлектрической подложки;
· ε1, ε2, μ1, μ2 – диэлектрическаяи магнитная проницаемость слоев;
· Δx, Δy – величина пъедестала амплитудноговозбуждения;
· θmax, φmax – углы фазирования АР;
· ρл – волновое сопротивление линии питания.
2. Основныерасчетные соотношения
В этой части находятся все расчетныефункции и формулы (для удобства использования программы эта громоздкая частьсвернута в закрытую область, которую можно просмотреть раскрыть двойным щелчкомпо стрелке-указателю области), вычисляющие:
· входноесопротивление одиночного излучателя в составе бесконечной периодической решеткиZвх(Dr) (2.4);
· взаимноесопротивление Zz (2.8);
· матрицу взаимныхсопротивлений Z(2.12);
· матрицутоков [I] согласно (2.16);
· входноесопротивление излучателя с учетом взаимной связи Zвхсв (2.17);
· входноесопротивление ФАР при двоично-этажной схеме питания ZвхАРпаралл;
· входноесопротивление ФАР при последовательной схеме питания ZвхАРпосл;
· КСВ, Г.
3. Выводрезультатов
В этой части строится графикдиаграммы направленности ФАР с учетом и без учета взаимной связи, выводится массиввзаимных сопротивлений Zдругие результаты расчета функций, представленный в предыдущем пункте.
Остановимся подробнее на второй частипрограммы. Основу алгоритма расчета взаимного сопротивления составляет функциявычисления входного сопротивления излучателя в составе бесконечнойпериодической решетки. Расчет массива входных сопротивлений Za, выполняемый данной функцией,занимает основную часть машинного времени, поэтому оптимизации функции былоуделено особое внимание. Блок-схема функции приведена на рис. 3.3. Массиввходных данных представляет собой значения расстояний от крайнего излучателя(0; 0) до излучателей, расположенных на одном угловом направлении от него (рис.2.5), и значения кратные этим расстояниям, сформированные в соответствии срядом простых чисел, которые используются в процедуре (2.8). Из этого массивапоследовательно извлекается числовые значения, начиная с наименьшего, ипроводится расчет входного сопротивления.
Согласно (2.4),расчет входного сопротивления необходимо производить путем интегрирования исуммирования в бесконечных пределах, что невозможно реализовать численнымиметодами. Требуется ограничивать эти пределы, что неизбежно приводит к ошибкевычисления. Максимальное количество гармоник определяется величиной Nmax. Сложность заключается и в том, чтоэта величина зависит от расстояния Dr: чем больше расстояние между излучателями, тем больше требуетсягармоник. Это приводит к тому, что время расчет входного сопротивления с ростомрасстояния значительно увеличивается. С другой стороны, с ростом расстояниявходное сопротивление излучателя в составе бесконечной периодической решеткиизменяется слабо и в пределе стремится к собственному входному сопротивлениюизлучателя. Это обстоятельство и заложено в основу функции расчетасопротивления одиночного излучателя. Тем самым, требуется установить какой-либокритерий, по которому входное сопротивление уже бы не рассчитывалось, если онос ростом Dr изменяется незначительно. Для этоговводится величина Zdelta=|Znext-Zprev/Zprev|, представляющая собой относительнуюразность между вновь рассчитанным значением сопротивления Znext и предыдущим значением Zprev. Если величина Zdelta при очередном вычислении становитсяменьше устанавливаемой константы Ztol,то дальнейший расчет сопротивлений прекращается, а для последующих элементов измассива расстояний Dr, если они ещеимеются, присваивается значение входного сопротивления, равное последнемурассчитанному.
Взаимное сопротивление вычисляетсяфункцией Zz в соответствии с (2.8). Как ужеотмечалось выше, взаимное сопротивление между разными парами будет совпадать,если излучатели в этих парах расположены под одним углом и на одинаковомрасстоянии. Поэтому рассчет проводится только между крайним излучателем (0; 0)и всеми остальными излучателями ФАР. Остальные элементы в матрице взаимныхсопротивлений (2.12) заполняются из соответствия углов и расстояний.
Как уже отмечалось ранее, собственноевходное сопротивление излучателя можно вычислить используя функцию расчетавходного сопротивления излучателя в составе бесконечной периодической решетки.Для этого выбирается период решетки равный 5λ, при таком расстоянии взаимное сопротивлениепренебрежимо мало по сравнения с собственным сопротивлением.
Входное сопротивление ФАР придвоично-этажной схеме питания (ZвхАРпаралл)и при последовательной схеме питания (ZвхАРпосл) вычисляется на основе пересчитанных на край кромки входныхсопротивлений излучателей. Эти сопротивления, определяемые через формулу длядлинных линиях
/>, (3.1)
пересчитываются ко входу λ/4трансформаторов. Трансформаторы располагаются на входе ФАР и предназначены длясогласования сопротивления излучателей и волнового сопротивления линии питания ρл на центральной частоте f0. Поскольку согласование не является идеальным в полосе частот,в программе предусмотрен расчет КСВ и Г, характеризующие степень согласованностиФАР с линией питания.
Диаграмма направленности ФАР безучета взаимной связи рассчитывается по заданным параметрам амплитудногораспределения и шага решетки по (2.24). Для учетавзаимной связи при расчете множителя направленности АР по (2.23) используетсякомплексная амплитуда тока, рассчитанная по (2.16).
/>

Рис. 3.2 Блок – схема программы ФАР_вз_связь

/>

Рис. />/>3.3 Блок– схема функции расчета входного сопртивления излучателя в составе бесконечнойпериодической структуры

Массив рассчитанных значений входногосопротивления излучателя в составе бесконечной периодической решетки и массив,составленый из исходных данных, сохраняется в файле данных в той же директории,что и программа. Файл имеет название DataZ_*_***_MHz.prn, где первое число * – относительная диэлектрическаяпроницаемость второго слоя подложки, второе число *** – значение частоты, на которой проводился расчет(например, DataZ_2.6_1680_MHz.prn)./>/>3.3Программа для характеристик ФАР в полосе частот/>3.3.1 Описание применения
Программа, имеющая название ФАР_полоса.mcd, выполняет расчетхарактеристик плоской ФАР, выполненной из полосковых вибраторов или резонансныхизлучателей на многослойном диэлектрической подложке, с учетом и без учетавзаимной связи между излучателями в полосе частот. В программе рассматриваетсядва варианта схемы питания ФАР: последовательная и ддвоично-этажная («елочка»).Кроме того, в программе предусмотрена возможность расчета согласующих λ/4трансформаторов и выбор типа согласования (задается переменной Type) либо по входному сопротивлению,полученному без учета (Type=0),либо по сопротивлению, полученному с учетом взаимной связи (Type=1).
Программа применяется после того, какбыл проведен расчет на фиксированных частот с помощью программы ФАР_вз_связь.mcd. Выходными данными программы являются:
· график КСВ,входного сопротивления при последовательной схеме питания в полосе частот;
· график КСВ,входного сопротивления при двоично-этажной схеме питания в полосе частот;
· диаграмманаправленности ФАР с учетом и без учета взаимной связи, построенная при двухвыбранных частотах;
· входноесопротивление одиночного излучателя в полосе частот;
Входными данными являются файлы (DataZ_*_***_MHz.prn),формируемые программой ФАР_вз_связь.mcd. Количество подключаеиых файлов должно быть не менеетрех./>3.3.2 Методика испытаний
Объектом испытаний является файл сименемФАР_полоса.mcd, которыйявляется программой для расчета полевых и импедансных характеристик ФАР вполосе частот. Целью испытаний является проверка точности работы программы наконкретной вычислительной установке. Во время испытаний следует проверитьпрохождение контрольного примера при решении задачи с различными входнымипараметрами. Испытания следует проводить на той же вычислительной установке, накоторой планируется эксплуатация программы.
Для проведения испытаний нужно иметь:
· установленныйматематический пакет Mathcad2001 или его более поздние версии;
· файл с именемФАР_полоса.mcd;
· не менее трехфайлов данных с общем именем DataZ_*_***_MHz.prn;
· таблицу тестовыхрезультатов.
В качестве тестовой задачи выступаетопределение характеристик ФАР с параметрами, представленными в разделе 3.2.2. Исходными данными являются файлы данных с именами DataZ_2.6_1600_MHz.prn, DataZ_2.6_1680_MHz.prn, DataZ_2.6_1740_MHz.prn,которые должны находиться в той же директории, где расположен файл ФАР_полоса.mcd, тексты этих файлов приведены вприложении 1. В самой программе втаблице Frequency необходимо ввести числовые значения1600,1680,1740 в произвольном порядке, если в таблице есть другие значения, тоих надо удалить. Кроме того, надо указать εdiel=2.6, Type=1.
В результате должна быть построенаДН, КСВ (рис. 4.9, 4.10) и получены следующие числовыезначения:
/>
/>
/>
/>/>3.3.3 Руководство пользователя
Программа ФАР_полоса.mcd является дополнением к центральнойпрограмме пакета ФАР_вз_связь.mcdи выполняет расчет полевых и импедансных характеристикФАР с учетом и без учета взаимной связи между излучателями в полосе частот.
Программа разработана в рамкахматематического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001 Professional. Требования к ресурсам вычислительной техники представлены в разделе 3.2.3данной дипломной работы.
Для выполнения программы необходимо:
1. Загрузитьматематический пакет Mathcad 2001;
2. Открыть файл сименем ФАР_полоса, имеющий расширение mcd;
3. В разделе Исходныеданные для расчета в таблице Frequency необходимоввести числовые значения не менее трех частот. В директории, где расположенапрограмма ФАР_полоса, должны находиться файлы данных с именами,соответствующими введенным значениям частот (например, если в таблице были введенычисла 1670,1680,1690, то должны быть файлы DataZ_2.6_1670_MHz.prn, DataZ_2.6_1680_MHz.prn, DataZ_2.6_1690_MHz.prn). Если таких файлов данных несуществует, то необходимо перейти в программу ФАР_вз_связь и провестипоследовательно расчет на каждой из интересующих частот. Кроме того, следуетввести значение относительной диэлектрической проницаемости второго слояподложки в поле εdiel. Это сделано для того, чтобы можно было проводить анализ характеристикФАР при различных материалах подложки.
4. Для началавычислений нужно нажать клавишу F9,если в установках не указано автоматическое вычисление. Ошибки, которые могутвозникнуть на этом этапе – это отсутствие одного или нескольких подключаемыхфайлов данных. Проверьте в директории, где расположена программа ФАР_полоса,наличие всех файлов данных. Признаком начала вычислений служит мигающаялампочка курсора. Время вычислений незначительно (до 1 мин.)
5. По окончаниирасчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора)должны быть построены графики, выведены числовые значения, которые могут бытьскопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word). Поскольку для построения графиковиспользуется интерполяция расчетных точек, может возникнуть ситуация, когдаинтерполированный график выходит за границы физической реализуемости параметров(например, КСВФАР_вз_связь на частоте, где происходит искажение величины./>3.3.4 Описание программы
Программа ФАР_полоса.mcd является дополнением к центральнойпрограмме пакета ФАР_вз_связь и создана для удобства обработкирезультатов. Расчет в полосе частот можно было бы производить и в рамках однойпрограммы ФАР_вз_связь, но это потребовало бы значительных одновременныхзатрат ресурсов вычислительной техники (до 1 часа). При расчете характеристикФАР последовательно на каждой из частот существует возможность прерватьвычисления на одной из них при получении некорректного результата или привыходе результата за границы интересующего диапазона.
Алгоритм расчета, используемый вданной программы, совпадает с алгоритмом программы ФАР_вз_связь (рис.3.2).Подробное его описание можно найти в разделе 3.2.4. Отличие заключается в том,что в программе не проводится расчет массива входных сопротивлений излучателя всоставе бесконечной периодической решетки Za. Этот массив считывается с файлов данных. Кроме того,пользователем не вводятся исходные данные для расчета, они также считывается сфайлов данных.
Главной особенностью программыявляется построение характеристик ФАР (КСВ, Zвх) в полосе частот. Количество расчетных точек должно быть неменее трех, верхний предел не ограничен, но исходя из значительных затратмашинного времени не может быть несколько десятков, которое требуется дляпостроения гладких графиков. Для решения этой проблемы в программепредусмотрена интерполяция расчетных точек полиномом второй степени, котораяосуществляется с помощью встроенной функции математического пакета./>/>3.4Программа для расчета входного сопротивления изолированного излучателя/>3.4.1 Описание применения
Программа, имеющая название рез_размер.mcd, проводит расчет входногосопротивления изолированного одиночного излучателя, выполненного на многослойномдиэлектрической подложке, при различной геометрии излучателя (размера a и b). Программа применяется для того, чтобы выбрать резонансныйразмер излучателя, при котором Xвх=0. Выбранный размер используется вдальнейшем в программе ФАР_вз_связь.mcd. Выходными данными программы являются:
· график активнойчасти входного сопротивления излучателя в зависимости от его длины b;
· график реактивнойчасти входного сопротивления излучателя в зависимости от его длины b;
Входные данные задаются пользователемвручную в тексте программы, состав входных данных представлен в разделе 3.4.4./>3.4.2 Методика испытаний
Объектом испытаний является файл сименемрез_размер.mcd,который является программой, позволяющей определить резонансный размеризлучателя. Во время испытаний следует проверить прохождение контрольногопримера при решении задачи с различными входными параметрами. Испытания следуетпроводить на той же вычислительной установке, на которой планируется эксплуатацияпрограммы.
Для проведения испытаний нужно иметь:
· установленныйматематический пакет Mathcad2001 или его более поздние версии;
· файл с именемрез_размер.mcd;
· значения входныхданных, приводимых ниже;
· таблицу тестовыхрезультатов.
В качестве тестовой задачи выступаетопределение резонансного размера квадратного излучателями при разных материалахподложки. Общие исходные данные следующие:
· f0=1680МГц;
· d1=3 мм,d2=1 мм;
· ε1=1,ε3=1, μ1=1, μ2=1, μ3=1;
· b0λmin=0,4;
· b0λmax=0,6;
· Nb0=3.
Для открытой структуры в зависимостиот материала подлжки должны быть получены следующие резонансные размеры:
1) ε2=1,a0λ=b0λ =0,463;
2) ε2=2,6,a0λ=b0λ =0,424;
3) ε2=5,a0λ=b0λ =0,405./>3.4.3 Руководство пользователя
Программа рез_размер.mcd является дополнением к центральнойпрограмме пакета и позволяет определить резонансный размер одиночногоизлучателя, который используется в исходных данных для расчета программы ФАР_вз_связь.
Программа разработана в рамкахматематического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001 Professional. Требования к ресурсам вычислительной техники представлены в разделе 3.2.3данной дипломной работы.
Для выполнения программы необходимо:
1. Загрузитьматематический пакет Mathcad 2001;
2. Открыть файл сименем рез_размер, имеющий расширение mcd;
3. В разделе Исходныеданные для расчета ввести числовые значения нижеуказанных параметров,указывая размерность для абсолютных величин.
· f0– частота для расчетов;
· a, b – ширина и длина одиночного излучателя;
· d1, d2– толщина слоевдиэлектрической подложки;
· ε1, ε2, μ1, μ2 –диэлектрическая и магнитная проницаемость слоев;
В программе предусмотрены дваварианта изменения размера излучателя:
a) b=varia, a=const. В этом случае ширина излучателя a остается постоянной, а его длина b изменяется в задаваемых пределах сфиксированным шагом;
b) b=varia, a=kb. В этом случае изменяется и длина b излучателя в задаваемых пределах сфиксированным шагом, и пропорционально длине ширина a (k– коэффициент пропорциональности);
4. Для началавычислений нужно нажать клавишу F9,если в установках не указано автоматическое вычисление. Ошибки, которые могутвозникнуть на этом этапе – это пустое поле одной из входных величин или женеверно указанная (или вовсе неуказанная) размерность величины. Признакомначала вычислений служит мигающая лампочка курсора. Время вычисленийнезначительно (до 2–3 мин.);
5. По окончаниирасчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора) должныбыть построены графики, выведены числовые значения, которые могут бытьскопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word). Поскольку для построения графиковиспользуется интерполяция расчетных точек, может возникнуть ситуация, когдаинтерполированный график выходит за границы физической реализуемости параметров(например, Re(Zвх)/>/>3.4.4 Описание программы
Программа рез_размер.mcd явлется дополнением к центральнойпрограмме пакета ФАР_вз_связь и выполняет расчет входного сопротивленияизолированного одиночного излучателя.
Алгоритм расчета входногосопротивления, используемый в данной программы, основан на алгоритме входного сопротивленияизлучателя в составе бесконечной периодической решетки. Для этого выбираетсяпериод решетки равный 5λ,при таком расстоянии взаимное сопротивление пренебрежимо мало по сравнения ссобственным сопротивлением. Подобный алгоритм используется в программе ФАР_вз_связь.mcd, рассмотренный в разделе 3.2.4.Особенность заключается в том, что массив входных сопротивлений вычисляется приварьируемой геометрии излучателя. Блок – схема функции расчета входногосопртивления одиночного излучателя представлена на рис. 3.4.
Для увеличения быстродействия впрограмме проводится интерполяция расчетных точек полиномом второй степени, котораяосуществляется с помощью встроенной функции математического пакета.
/>

Рис. />3.4 Блок– схема функции расчета входного сопртивления одиночного излучателя
/>/>3.5 Программа для расчета взаимного сопротивления междуизлучателями/>3.5.1 Описание применения
Программа, имеющая название вз_сопрот.mcd, проводит расчет взаимногосопротивления между двумя излучателями при различном угловом положении ирасстоянии между ними. Программа применяется для того, чтобы исследовать каквзаимная связь изменяется с расстоянием. Выходными данными программы являются:
· график активнойчасти взаимного сопротивления между излучателям в зависимости от расстояния d между ними;
· график реактивнойчасти взаимного сопротивления между излучателям в зависимости от расстояния d между ними;
Входные данные задаются пользователемвручную в тексте программы, состав входных данных представлен в разделе 3.5.4./>3.5.2 Методика испытаний
Объектом испытаний является файл сименем вз_сопрот.mcd.Во время испытаний следует проверить прохождение контрольного примера прирешении задачи с различными входными параметрами. Испытания следует проводитьна той же вычислительной установке, на которой планируется эксплуатацияпрограммы.
Для проведения испытаний нужно иметь:
· установленныйматематический пакет Mathcad2001 или его более поздние версии;
· файл с именем вз_сопрот.mcd;
· значения входныхданных, приводимых ниже;
· таблицу тестовыхрезультатов.
В качестве тестовой задачи выступаетрасчет зависимости взаимного сопротивления между квадратными параллельнымиизлучателями от расстояния между ними при разных материалах подложки. Общиеисходные данные следующие:
· f0=1680МГц;
· d1=3 мм,d2=1 мм;
· ε1=1,ε3=1, μ1=1, μ2=1, μ3=1;
· α=90˚(параллельные излучатели);
· d0λmin=0,2,
· d0λmax=1,2,
· Nd0=6.
В качестве подлжки используютсяматериалы с ε2=1; ε2=2,6; ε2=5. Для каждого из них был выбран резонансный размерпосредством программы рез_размер.mcd:
4) ε2=1,a0λ=b0λ =0,463
5) ε2=2,6,a0λ=b0λ =0,424
6) ε2=5,a0λ=b0λ =0,405
Результаты расчета для каждогодиэлектрика представлены на рис.4.1и в табл. 4.1./>3.5.3 Руководство пользователя
Программа вз_сопрот.mcd является автономной программойпакета и может быть использована независимо от других программ пакета.Программа позволяет исследовать взаимную связь между излучателям при различномрасстоянии и угловом положении.
Программа разработана в рамкахматематического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001 Professional. Требования к ресурсам вычислительной техники представлены в разделе 3.2.3данной дипломной работы.
Для выполнения программы необходимо:
1. Загрузитьматематический пакет Mathcad 2001;
2. Открыть файл сименем вз_сопрот, имеющий расширение mcd;
3. В разделе Исходныеданные для расчета ввести числовые значения нижеуказанных параметров,указывая размерность для абсолютных величин:
· f0– частота для расчетов;
· a0λ, b0λ – ширина и длина одиночногоизлучателя;
· d1, d2 – толщина слоев диэлектрическойподложки;
· ε1, ε2, ε3, μ1, μ2, μ3 –диэлектрическая и магнитная проницаемость слоев;
· α – параллельные излучатели;
· d0λmin – минимальное относительное расстояние между излучателями,
· d0λmax – максимальное относительное расстояние между излучателями,
· Nd0– количество точек для расчета.
4. Для началавычислений нужно нажать клавишу F9,если в установках не указано автоматическое вычисление. Ошибки, которые могутвозникнуть на этом этапе – это пустое поле одной из входных величин или женеверно указанная (или вовсе неуказанная) размерность величины. Признакомначала вычислений служит мигающая лампочка курсора. Время вычисленийнезначительно (до 2–3 мин.);
5. По окончаниирасчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора)должны быть построены графики, выведены числовые значения, которые могут бытьскопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word). Поскольку для построения графиковиспользуется интерполяция расчетных точек, может возникнуть ситуация, когдаинтерполированный график выходит за границы физической реализуемостипараметров. Для устранения этого явления рекомендуется увеличить количестворасчетных точек в заданном интервале.
/>/>3.5.4 Описание программы
Программа вз_сопрот.mcd явлется автономной программой пакетаи может быть использована независимо от других программ пакета. Программапозволяет исследовать взаимную связь между излучателям при различном расстояниии угловом положении.
Алгоритм расчета взаимногосопротивления основан на процедуре (2.8) и совпадает с алгоритмом, которыйиспользуется в программе ФАР_вз_связь.mcd и подробно рассмотрен в разделе 3.2.4 даннойдипломной работы.
Для увеличения быстродействия впрограмме проводится интерполяция расчетных точек полиномом второй степени,которая осуществляется с помощью встроенной функции математического пакета.
/>4. Результаты расчетов4.1 Взаимное сопротивление
Разработанный пакет программпозволяет исследовать различные зависимости характеристик ФАР от параметроврешетки и излучателя. Рассмотрим некоторые из них.
С помощью программы вз_сопрот.mcd, был проведен расчетвзаимного сопротивления между двумя излучателями, имеющими структуру как нарис. 2.1 и 2.2, при различных материалах подложки (ε=1; ε=2,6; ε=5). Результаты расчета модулявзаимного сопротивления для открытой структуры (рис. 2.1) представлены в табл.4.1 и на рис.4.1.
Таблица 4.1d/λ
Zвз, Ом (ε2=1)
Zвз, Ом (ε2=2,6)
Zвз, Ом (ε2=5) 0,2 0,771‑j3,212 0,794‑j0,841 0,816+j0,11 0,4 0,387‑j0,107 0,42+j0,071 0,444+j0,065 0,6 0,12‑j0,104 0,139‑j0,092 0,148‑j0,092 0,8 -0,025‑j0,077 -0,018‑j0,078 -0,016‑j0,08 1,0
-0,046‑j2,563·10-3
-0,048+j2,884·10-4
-0,049+j4,628·10-4 1,2
-7,419·10-3+j0,028 -0,014+j0,033 -0,015+j0,036
/>
Рис. 4.1 Зависимость модуля взаимногосопртивления от относительного расстояния между параллельными излучателями(открытая структура)

/>
Рис. 4.2 Зависимость модуля взаимного сопртивления ототносительного расстояния между параллельными излучателями (закрытая структура)
Как видно из графиков, взаимноесопротивление с увеличением расстояния убывает и в пределе стремится к нулю,это полностью подтверждает все теоретические положения. Анализируя влияниедиэлектрика, для открытой структуры можно сделать вывод, что с ростом величины ε взаимная связь проявляется меньше намалых расстояниях при d/λ0,4 различиев величинах диэлектрической проницаемости подложки проявляется меньше. Длязакрытой структуры различие в величинах диэлектрической проницаемости подложкипрактически не проявляется даже при малых расстояниях.

/>
Рис. 4.3 Зависимость активной части взаимного сопротивления отрасстояния
/>
Рис. 4.3 Зависимость реактивной части взаимного сопротивления отрасстояния4.2 Диаграмма направленности ФАР
Интересным является исследованиевзаимной связи на такую характеристику антенны как диаграмма направленности. Спомощью программы ФАР_вз_связь.mcd можно исследовать зависимость ДН ФАР от шагаизлучателей, диэлектрической проницаемости подложки ε и других параметров. В данной дипломной работе былаисследована зависимость степени влияния взаимной связи на ДН от размерарешетки. С этой целью были рассмотрены три антенные решетки: 2х2, 4х4 и 8х4.При этом все решетки имели следующие общие параметры:
1. f0=1680МГц;
2. ε2=5;
3. a=b=0,405;
4. dx=dy=0,5.
/>
Рис. 4.4 ДН ФАР, 2х2 (открытаяструктура)
Для наглядности анализа ДН ФАР сучетом и без учета взаимной связи строились на одном графике. На всехнижеприведенных рисунках сплошная линия обозначает ДН без учета взаимной связи,штриховая линия – ДН с учетом взаимной связи.

/>
Рис. 4.5 ДН ФАР, 4х4 (открытая структура)
/>
Рис. 4.6 ДН ФАР, 4х4 (закрытая структура)
/>
Рис. 4.7 ДН ФАР, 8х4 (открытаяструктура)

Из рис. 4.4-4.7 можносделать вывод, что ДН ФАР, построенная с учетом взаимной связи отличается отДН, построенной без учета взаимной связи, а именно:
1. Наблюдается смещениемаксимума в направлении, совпадающим с направлением отклонения луча.
2. Уровень боковыхлепестков при взаимной связи увеличивается.
3. Происходит такназываемое «заплывание нулей» при учете взаимной связи.
4. С ростомколичества элементов в АР влияние взаимной связи сказывается в меньшей степенина ДН, чем при малом количестве излучателей, сравните рис. 4.4 и 4.7.
Последнее замечание объясняется тем,что при большом размере антенной решетки центральные ее элементы находятсяпримерно в одинаковых условиях, тогда как для решеток с малым размером (4х4,4х2) наблюдается «краевой эффект». Надо отметить, что для решетки 2х2 и 2х1 прифазировании по нормали взаимная связь не влияет на ДН, т. к. все элементы находятся водинаковых краевых условиях.4.3 Частотные характеристики ФАР
Поскольку в результате взаимноговлияния входное сопротивление излучателя, находящегося в составе АР отличаетсяот сопротивления изолированного излучателя, то и сопротивление всей АР будетотличаться от сопротивления, рассчитанного в предположении отсутствия взаимноговлияния излучателей друг на друга. Это может привести к рассогласованию входаАР с фидерной линии. Поэтому очень полезным является рассмотрение входногосопротивления АР в полосе частот и определение такого параметра согласованиякак КСВ.
Данную возможность предоставляетпрограмма ФАР_полоса.mcd.Ниже приводятся частотные графики КСВ для последовательной и двоично-этажнойсхем питания с указанием относительной ширины полосы пропускания (%), определяемойпо уровню КСВ=2.Расчет проводился для решетки 2х2, f0=1680 МГц, ε2=2,6.
/>
Рис. />/>4.8Согласование без учета взаимной связи
Как видно из рис. 4.8, если проводить согласование безучета взаимной связи, то относительной ширины полосы пропускания окажется на0,5% меньше, к тому же наблюдается смещение центральной частоты (1680 МГц). Нарис. 4.9  приведено согласованиеуже с учетом взаимной связи, при этом относительной ширина полосы пропусканияувеличилась примерно на 1,7%, но при этом ни на одной из частот не достигаетсяидеального согласования (КСВ=1).
Схема согласования, выполненная надвойном λ/4 трансформаторе увеличивает полосупропускания от 0,2 до 0,5%. Двоично-этажная схема питания при согласовании сучетом взаимной связи дает большую полосу пропускания, чем последовательная.
Смещение чентральной частоты хорошоиллюстрируют частотные графики входного сопротивления ФАР. Как видно из рис. 4.11 и 4.12 резонансная частота (Xвх=0) смещена в область меньших частот.
/>
Рис. 4.9 Согласование с учетом взаимнойсвязи
/>
Рис. />/>4.10Согласование с учетом взаимной связи

/>
Рис. 4.11 Частотная зависимость входногосопротивления (тонкие линии – без учета взаимнойсвязи)
/>
Рис. 4.12 Частотная зависимость входногосопротивления (тонкие линии – без учета взаимнойсвязи)
/>5. Технико-экономическое обоснование дипломной работы 5.1 Краткая характеристика работы
В результате дипломной работы быларазработана программа для расчета взаимных связей между излучателями,находящимися в составе плоской антенной решетки. Излучатели могут быть какрезонаторными, так и полосковыми вибраторами. Диэлектрик, служащий в качестве подложки,является многослойным. Программа разработана в рамках математического пакетадля инженерных расчетов Mathcad.5.2 Определение затрат на созданиепрограммы
Для определения этих затратвоспользуемся методикой, изложенной в [8].Необходимо рассчитать расходы по оплате труда разработчиков программы и расходыпо оплате машинного времени при разработке программы.5.2.1 Расходы по оплате трударазработчиков программы
Этот вид расходов определяется путемумножения трудоемкости программы на среднюю часовую оплату программиста.
/>, руб. (/>5.1)
где     t – трудоемкость создания программы,
/> — среднечасовая зарплатапрограммиста.
Трудоемкость создания программывключает в себя затраты труда на следующие этапы:
· подготовкаописания задачи,
· исследованиеалгоритма и разработка блок-схемы программы,
· программированиепо готовой блок-схеме,
· отладка программына ЭВМ,
· подготовкадокументации по задаче.
Составляющие затрат труда можноопределить через условное число операторов в программном продукте. В этукатегорию входят те операторы, которые необходимо написать программисту впроцессе работы над задачей с учетом возможных уточнений в постановке задачи,коррекции программы и совершенствования алгоритма реализации поставленныхтребований и условий.
Условное число операторов можноопределить по следующей формуле [8]
/>, (/>5.2)
где q –предполагаемое число операторов, шт.;
с – коэффициент сложности программы.Этот коэффициент находится в пределах от 1 до 2 [8];
p – коэффициент коррекции программы входе ее разработки. Этот коэффициент находится в пределах от 0,05 до 1 [8].
Предполагаемое число операторов можноопределить, исходя из предварительной версии программы. В программе 330 строк,каждая строка включает в среднем по 3 оператора, поэтому q=1000.
В данном программном продукте прирасчете характеристик антенных решеток используются матрицы с комплекснымизначениями токов, напряжений и сопротивлений. Для их расчета применялисьтензорные функции Грина, численное интегрирование функций методом Симпсона, дляотображения результатов расчета применялись методы интерполяции. Все этопозволяет заключить, что программа является достаточно сложной, поэтомувыбираем коэффициент сложности программы с=2.
В процессе работы программный продуктисправлялся, дополнялся и уточнялся. Относительно первоначального варианта вокончательный вариант было внесено до 30% различного рода изменений, поэтомупримем коэффициент коррекции программы p=0,3.
Тогда в соответствии с формулой (5.2)условное число операторов будет равно Q=1000·2·(1+0,3)=2600 шт.
Затраты труда на изучение описаниязадачи с учетом уточнения описания и квалификации программиста определяются последующей формуле, взятой из [8]
/>, чел.‑ч (5.3)
где B –коэффициент увеличения затрат труда вследствие недостаточного описания задачи,уточнений и некоторой доработки. Этот коэффициент находится в пределах от 1,2 до5;
K – коэффициент квалификацииразработчика. Он должен составлять для работающих до 2 лет – 0,8; от 2 до 3 лет– 1,0; от 3 до 7 лет – 1,3÷1,4; свыше 7 лет – 1,5÷1,6.
Постановка задачи была описана четко,грамотно и полно. Потребовались лишь незначительные уточнения и корректировки.Поэтому можно принять B=1,5.
Разработчиком программного продуктаявляется студент, работающий менее 2 лет, поэтому коэффициент квалификацииразработчика принимаем K=0,8.
Затраты труда на описание задачи,исходя из выбранных выше коэффициентов, в соответствии с формулой (5.3), будут равны
/> чел.‑ч
Затраты труда на разработку алгоритмарешения задачи определяются по следующей формуле, взятой из [8]

/>, чел.‑ч (5.4)
где Q – условное число операторов, определяемое по (5.2);
K – коэффициент квалификацииразработчика, который был определен ранее.
Так как разработка алгоритма быладовольно сложной задачей, то примем числовой коэффициент, находящийся взнаменателе формулы (5.4), равным60.
Тогда затраты труда на разработкуалгоритма, в соответствии с формулой (5.4),будут равны
/> чел.‑ч.
Затраты труда на составлениепрограммы по готовой блок-схеме определяются по следующей формуле, взятой из [8]
/>, чел.‑ч (5.5)
где коэффициенты Q и K имеют тот же смысл, что и впредыдущих формулах. Числовой коэффициент примем равным 60.
Тогда затраты труда на составлениепрограммы по блок-схеме, в соответствии с формулой (5.5), будут равны
/> чел.‑ч.
Затраты труда на отладку программы наЭВМ при автономной отладке одной задачи определяются по следующей формуле,взятой из [8]
/>, чел.‑ч (5.6)

При комплексной отладке эти жезатраты определяются по формуле из [8]
/>, чел.‑ч (/>5.7)
Отладка программы требовалазначительных затрат, особенно машинного времени, поэтому в формуле (5.6) примем числовой коэффициент равным40.
Данный программный продуктпредставляет комплекс программ, каждая из которых выполняет определеннуюфункцию, поэтому в ходе работы требовалась комплексная отладка, включающая всебя как отладку каждой программной единицы, так и отладку совместимости этихединиц. Таким образом, в соответствии с формулами (5.6) и (5.7)имеем следующие затраты на отладку программы
/> чел.‑ч
/>чел.‑ч
Любой программный продукт требуетточного и ясного документирования. Выходными документами для данной прграммыявились пояснительная записка дипломной работы, руководство пользователя,руководство программиста и комментарии в тексте программы в соответствии с [9],[10].
Затраты труда на подготовкудокументации можно определить по следующей формуле, взятой из [8]
/>, чел.‑ч (5.8)
где /> — затраты труда на подготовкуматериала к рукописи, чел.‑ч;
/> — затраты труда на редактирование,печать и оформление документации.
Эти два вида затрат определяются последующим формулам, взятым из [8]
/>, чел.‑ч (5.9)
/>, чел.‑ч (5.10)
Численный коэффициент в формуле (5.9) примем равным 200, посколькуподготовка материалов к рукописи производилась в удобных графических оболочкахматематического пакета Mathcad,имеющего все необходимо функции текстового редактора. Исходя из этогоопределяем, что
/> чел.‑ч,
/> чел.‑ч.
Общие затраты труда на подготовкудокументации в соответствие с ‑ч (5.8)составят
/>, чел.‑ч
Общая трудоемкость созданияпрограммного продукта определяется по формуле, взятой из [8]
/>, чел.‑ч (5.11)
Подставив ранее полученные значения вформулу ‑ч (5.11),определим общую трудоемкость
/>чел.‑ч
Полученные данные на затраты трудасведены в табл. 5.1.

Табл. 5.1Наименование затрат Трудоемкость, чел.-ч Подготовка описания задачи 61 Разработка алгоритма решения задачи 54,2 Составление программирование 54,2 Отладка программы на ЭВМ 121,9 Подготовка документации по задаче 28,5 Общие затраты труда 319,8 />5.2.2Среднечасовая оплата разработчика
Разработка программного продуктапроводилась на кафедре ВЧСРТ, зарплата научного сотрудника этой кафедры наапрель 2001 года составляла 1760 руб. Определим среднечасовую оплатуразработчика. Количество часов в рабочем дне составляет 8, количество рабочихдней при пятидневной рабочей неделе в месяце 22. Среднечасовая оплатаопределяется как отношение зарплаты к числу рабочих часов в месяце
/>, руб./ч (5.12)
/> руб./ч
При рассчитаных общих затратах трудаи зная среднечасовую оплату труда, можно найти прямую заработную платуразработчика программного продукта в соответствие с [8]
/>, руб. (5.13)
/> руб.
Основнаязарплата (ОЗП) рассчитывается по формуле:
 

ОЗП=ПЗП+Премия, руб. (5.14)
При премии в 10% основная зарплатасоставит
ОЗП=3198+3198·0,1=3517,8 руб.
С учетом уральского коэффициента,который равен 15%, основная зарплата будет составлять
ОЗП=3517,8·1,15=4045,5 руб.
Дополнительная заработная платасоставляет 12,5% от ОЗП, или 505,7 руб., отчисления на социальные нужды 36,5%-1476,6руб.
Табл. 5.2Наименование затрат Затраты, руб. Основная заработная плата 4045,5 Дополнительная заработная плата 505,7 Отчисления на социальные нужды 1476,6 Общие затраты по оплате труда разработчика программы 6027,8 5.2.3 Затраты по оплате машинноговремени
Эти затраты определяются путемумножения фактического (планового) времени отладки программы и времениподготовки документации, проводимой также с помощью ЭВМ, на стоимостьмашино-часа вычислительной техники
/>, руб. (5.15)
В свою очередь, стоимость машино-часавычислительной техники определяется по следующей формуле, взятой из [8]
/>, руб./ч (5.16)

где /> — действительный годовой фонд времени ЭВМ, ч;
/> — годовые издержки на амортизацию,руб.;
/> – годовые издержки на зарплатуобслуживающему персонала, руб.;
/> – годовые издержки навспомогательные материалы, руб.;
/> – годовые издержки на текущий ремонт, руб.;
/> – прочие расходы, руб.;
/> – накладные расходы, руб.
Стоимость ЭВМ, согласно товарномучеку, составляет 10 000 руб. Согласно [11], издержки на амортизацию составляют12,5% в год
/>=10000·0,125=1250 руб. (5.17)
Издержек на зарплату обслуживающемуперсоналу нет (/> руб.). Кроме того, нет издержек на текущий ремонт, т. к.в течение года действовал гарантийный срок (/>руб.).
Поскольку в процессе работыпроводилась распечатка данных результатов машинного расчета, необходимых дляотладки, документации на программный продукт, то к издержкам на вспомогательныематериалы стоит отнести затраты на бумагу для принтера и его заправку.Среднегодовой расход бумаги составляет 500 листов, или одну пачку. Стоимостьодной пачки бумаги для принтера равна 95 руб. (данные взяты из расценника одногоиз магазинов, торгующего расходными материалами). Среденгодовой расход чернилдля принтера составляет один картридж. Стоимость заправки черно-белогокартриджа равна 200 руб. (данные взяты из расценника фирмы, занимающейсяобслуживанием офисной техники). Суммарные издержки на вспомогательные материалысоставят
/> руб.
Затраты на электроэнергиюопределяются по следующей формуле, взятой из [8]
/>, руб. (5.18)
где /> — потребляемая мощность ЭВМ, равна 250 Вт по техн.паспорту;
/> — действительный годовой фонд времениЭВМ, ч;
/> — стоимость 1 кВт·ч электроэнергии,на апрель 2001 года составляла 0,90 руб.
Действительный годовой фонд времениЭВМ можно определить исходя из того, что ЭВМ эксплуатируется каждый день всреднем в течение 3 часов.
/> ч
Таким образом, согласно формуле (5.18) получаем следующие затраты наэлектроэнергию
/> руб.
В соответствие с формулой (5.16) стоимость машино-часа собственнойвычислительной техники будет равна
/> руб./ч
Тогда затраты по оплате машинноговремени согласно формуле (5.15)составят
/> руб.5.2.4 Общие затраты на созданиепрограммы
Эти затраты определяются как суммазатрат по оплате труда разработчика программного продукта и затрат по оплатемашинного времени

/>, руб. (5.19)
/>6108,7+246=6354,7 руб.
Основную часть затрат на созданиепрограммы составляют затраты по оплате труда разработчика. Если при созданиипрограммы использовать квалифицированного специалиста с опытом работы свыше 7лет, что соответствует коэффициенту квалификации К=1,6, то общая трудоемкостьсоздания программного продукта уменьшится вдвое. Однако, среднечасовая оплатаквалифицированного разработчика будет в 2,5–3 раза выше, поскольку егосреднемесячная зарплата должна составлять не менее 5000 руб. (данные повакансиям программистов). Из всего этого следует, что стоимость созданияпрограммы высококвалифицированным разработчиком будет в 1,25–1,5 раз выше, чемв данном случае.
/>6. Безопасность и экологичность дипломной работы6.1 Краткая характеристика работы
В результате дипломной работы быларазработана программа для расчета взаимных связей между излучателями,находящимися в составе плоской антенной решетки. Излучатели могут быть какрезонаторными, так и полосковыми вибраторами. Диэлектрик, служащий в качествеподложки, является многослойным. Программа разработана в рамках математическогопакета для инженерных расчетов Mathcad.6.2 Безопасность проекта6.2.1 Электробезопасность рабочегоместа
Рабочим местом в данной дипломнойработе является место пользователя ПЭВМ. В ЭВМ источником опасности являетсяэлектрическая часть, а именно входные цепи блока питания, который может бытьподключен к сети промышленного тока напряжением 220 В частотой 50 Гц, сизолированной нейтралью. Данный уровень напряжения представляет опасность длячеловеческой жизни. Выходные цепи блока питания составляют 15, 5 В. Следовательно,устройство относится к установкам с рабочим напряжением до 1000 В.
Использовавшееся помещение с ЭВМотносится к классу помещений без повышенной опасности с точки зрения пораженияэлектрическим током. Температура окружающей среды +20 °С,относительнаявлажность воздуха 60±20%. В помещении должны быть непроводящие полы, отсутствоватьтокопроводящая пыль, отсутствовать электрически активная среда, отсутствоватьвозможность одновременного прикосновения к металлическим частям прибора изаземляющему устройству, отсутствовать высокая температура и сырость.
Эксплуатация устройства должнапроизводиться персоналом, имеющим квалификацию по ТБ III. Работа по устранениюнеисправностей и наладка должна производиться персоналом с квалификационнойгруппой по ТБ не ниже III и только после снятия напряжения питания сустройства.
Согласно [23], предельно допустимые значения напряжения прикосновения и токасоставляют, соответственно 20 В и 6 мА при продолжительности воздействия токаболее 1 сек. Поэтому, необходимо предусмотреть защитное заземление,которое обеспечило бы защиту людей от прикосновения к нетоковедущим частям(корпуса измерительных приборов), которые могут оказаться под напряжением врезультате повреждения изоляции.
Стекание тока в землю происходиттолько через проводник, находящийся с нею в непосредственном контакте. Такойконтакт обеспечивается проводником или группой соединенных между собойпроводников. Одиночный проводник, находящийся в контакте с землей называетсяодиночным заземлителем или заземляющим электродом, а заземлитель, состоящий изнескольких параллельно соединенных электродов, называется групповым или сложнымзаземлителем.
По условиям безопасности заземлениедолжно обладать сравнительно малым сопротивлением, обеспечить которое можнопутем увеличения геометрических размеров одиночного заземлителя или применениягруппового заземлителя. В нашем случае, будем использовать групповойзаземлитель.
Коэффициент использованияпроводимости заземления или просто коэффициент использования, есть отношениедействительной проводимости группового заземлителя /> кнаибольшей возможной его проводимости />, т.е. при бесконечно больших расстояниях междуэлектродами:

/> (6.1)
При использовании групповогозаземлителя определить коэффициент использования расчетным путем сложно.Поэтому, при расчете заземляющих устройств, значения η берутся из таблицы 6.1, составленной на основании опытов [24].
Табл. 6.1
η Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине Число вертикальных электродов 2 4 6 10 20
ηв 1 0.85 0.73 0.65 0.59 0.48 2 0.91 0.83 0.77 0.74 0.67 3 0.94 0.89 0.85 0.81 0.76
ηг 1 0.85 0.77 0.72 0.62 0.42 2 0.94 0.80 0.85 0.75 0.56 3 0.96 0.92 0.88 0.82 0.68
Здесь: ηв – коэффициентиспользования вертикальных электродов группового заземлителя (труб, уголков ит.п.) без учета влияния полосы связи (электроды размещены в ряд);
ηг – коэффициент использованиягоризонтального полосового электрода, соединяющего вертикальные электроды.
Проводимость группового заземлителяполучается путем суммирования проводимостей заземлителей обоих типов(вертикального и горизонтального), поскольку они работают параллельно:
/> (6.2)
Выражение для сопротивлениягруппового заземлителя запишется в виде:
/>(6.3)
где n – число вертикальныхэлектродов;
/> — сопротивление вертикальногостержневого электрода;
/> – сопротивление горизонтальногополосового электрода.
Формула для вычисления сопротивленийодиночных заземлителей растеканию тока в однородном грунте записываются в виде:
/>, (6.4)
где 1 – длина электрода;
s – площадь сечения электрода;
ρ – удельное сопротивление материалаэлектрода.
Выполним заземляющее устройство ввиде группового заземлителя, состоящего из трех стержневых электродов,расположенных на расстоянии r = 4 м.
1. Возьмемстержневой электрод длиной l = 5 м с круглым сечением, диаметркоторого D = 10 мм. Стержень выполнен из стали, удельноесопротивление которой составляет />Ом/м. Рассчитаемсопротивление вертикального электрода:
/>
2. Горизонтальнаяполоса имеет следующие габаритные размеры:
длина полосы 1 = 12 м,длина сечения – а = 1 см, ширина сечения – b = 1 мм.
Горизонтальный электрод сделан измеди, удельное сопротивление которой равно />Ом/м.Вычислим сопротивление горизонтальных электродов:
/>
Отношение расстояния междувертикальными электродами r = 4 м к их длине 1 = 5 мсоставит r/1 ≈ 1, откуда по таблице 6.1 находим значения коэффициентов использования вертикальныхи горизонтальных электродов, которые составляют соответственно ηв =0,85, ηг = 0,85. Теперь можем вычислить сопротивление всегогруппового заземлителя:
/>
Для электроустановок напряжением до1000 В в сети с изолированной нейтралью, сопротивление заземляющего устройствадолжно быть не более 4 Ом.
Сопротивление группового заземлителязначительно меньше допустимого, а это означает, что рассчитанное заземляющееустройство обеспечит защиту людей от поражения электрическим током в случаеповреждения изоляции.
Питание к рабочему столу подводитсяэлектропроводами сечением 3 мм2. Протяженность провода на путираспределительный щиток – электророзетка не превышает 20 м. Проводаподводящие напряжение к щитку имеют сечение (2х6 мм2).Суммарное сопротивление проводов не превышает 1,5 Ом, что обеспечивает токкороткого замыкания на уровне 146 А. Защита сети от перегрузок должнаосуществляется автоматом типа ОП‑6, рассчитанным на ток 25 А, которыйзначительно меньше тока короткого замыкания.
6.2.2 Пожаробезопасность рабочегоместа
Пожарная безопасность помещений,имеющих электрические сети, регламентируется [17] и [18].Рабочее место оператора ПЭВМ оборудовано в помещении, которое соответствуеткатегории «Д» пожарной безопасности (негорючие вещества и материалы в холодномсостоянии) по [19].
Материалы, применяемые дляограждающих конструкций и отделки рабочего помещения должны быть огнестойкими.Для предотвращения возгорания в зоне расположения ЭВМ обычных горючихматериалов (бумага) и электрооборудования, необходимо приниять следующие меры:
·  в помещении должны быть размещеныуглекислотные огнетушители типов ОУ‑2, ОУ‑5, ОУ‑8. в качествевспомогательного средства тушения пожара могут использоваться гидрант илиустройства с гибкими шлангами. Рабочее помещение имеет площадь 12м2.Согласно [25] на каждые 50м2 должен приходиться один огнетушитель.Таким образом, для обеспечения помещения средствами пожаротушения необходимодин огнетушитель.
·  для непрерывного контроля запомещением необходимо установить систему обнаружения пожаров, для этого можноиспользовать комбинированные извещатели типа КИ‑1 из расчета одинизвещатель на 100 м2 помещения.
·  к работе на ПЭВМ допускаются толькопользователи, прошедшие инструктажа по безопасности труда и пожарнойбезопасности
·  в помещении должна быть инструкция справилами пожарной безопасности и план противопожарных мероприятий;
·  для помещения быть разработан планэвакуации персонала в случае возникновения пожара;
·  должен быть назначен ответственный запротивопожарную безопасность;
·  монитор и системный блок ПЭВМ дожныбыть установлены вдали от источников тепла (например, батареи центральногоотопления), прямые солнечные лучи не должны попадать на экран дисплея;
·  необходимо использовать модели ПЭВМ,у которых в корпусе имеются вентиляционные отверстия и охлаждающий вентилятор.6.2.3 Микроклимат рабочего места
В соответствие с [14] помещение с ПЭВМ для поддержания микроклиматаоборудовано системой отопления и кондиционирования воздуха. В помещении обеспечиваютсяоптимальные параметры микроклимата, представленные в табл.6.2. Дляповышения влажности воздуха в помещении с ПЭВМ применяется увлажнители воздуха,заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченнои питьевой водой.Регулярно осуществляется проветривание, что обеспечивает улучшениекачественного состава воздуха, в том числе и аэроионный режим.
Табл. 6.2Период года Температура воздуха, ºС не более Относительная влажность воздуха, % Скорость движения воздуха, м/с Холодный 22–24 40–60 0,1 Теплый 23–25 40–60 0,1
Уровни положительных и отрицательныхаэроионов в воздухе помещения с ПЭВМ соответствует нормам, приведенным в табл. 6.3. Содержаниевредных химических веществ в воздухе помещения не превышает среднесуточныхконцентраций для атмосферного воздуха.
Табл. 6.3Уровни Число ионов в 1 см куб. воздуха n+ n- Минимально необходимые 400 600 Оптимальные 1500–3000 3000–5000 Максимально допустимые 50000 50000 />6.2.4 Освещенностьрабочего места
В соответствие с [14] помещение сПЭВМ должны имеет естественное и искусственное освещение.
Естественное освещение осуществляетсячерез светопроемы, ориентированные на северо-восток и обеспечивает коэффициентестественной освещенности (КЕО) не ниже 1,2%, что соответствет норме для зоны сустойчивым снежным покровом. Рабочее место по отношению к световымрасполагается так, что естественный свет падает сбоку справа, что допускается,см. рис.6.2. Оконные проемы ободудованы регулируемыми устройствами типа жалюзи.Все это ограничивае прямую и отраженную блесткость на рабочих поверхностях(экран, стол, клавиатура).
Искусственное освещениеосуществляется комбинированной системой освещения (к общему освещениюдополнительно устанавливлен светильник местного освещения, предназначенные дляосвещения зоны расположения документов).
Проведем расчет освещенности пометодике, изложенной в [21]. Помещение, в которомрасположено ПЭВМ, имеет размер 3x4 м, высота подвеса светильника 2,5 м.Согласно [14], освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочегодокумента должна быть 300–500 лк, примем для расчета среднее значение Ен=400лк. Индекс помещения определяется по следующей формуле, взятой из [21]
/> (6.5)
где A, B – размерыпомещения, м;
H – высота подвеса светильника, м.
Согласно [14], коэффициент запаса(Кз) для осветительных установок общего освещения должен приниматься равным1,4, коэффициент неравномерности освещения Z=1,1. В качестве светильника применяется светильник серииЛП036 с зеркализованными решетками, имеющей коэффициент использованияосветительной установки η=0,5. Необходимый световой поток при размещениисветильников в два ряда (Nр=2) определяетсяследующим образом, согласно [21]
/> лм (6.6)
В светильнике используются по две лампы(n=2), каждая мощностью 40 Вт, чтосоответствует световому потоку Фл=3000 лм (принято, что светоотдача составляет75 лм / Вт). Тогда количество светильников,обеспечивающих заданную освещенность, определяется по следующей формуле
/> (6.7)
Если принять число светильников водном ряду равным N=1, тоосвещенность снизится в 1,23 раза, что будет соответствовать E=325 лк. Это значение соответствуеттребуемому диапазону 300–500 лк.
Итак, для обеспечения освещенности впомещении с ПЭВМ требуется размещение двух светильников серии ЛП036 в два ряда.6.2.5 Шумы и вибрации на рабочем месте
В соответствие с [14], в помещении,где работают инженерно-технические работники, уровень шума не должен превышать60 дБ. Основным источником шума и вибрации является вентилятор, находящийся всистемном блоке, дополнительным источником шума, значительно превышающего шумосновного источника, может служить работающий струйный принтер. Заявленный втехническом паспорте на принтер уровень шума согласно ISO 9296 составляет 50 дБ, что соответсвует требуемойнорме.
В помещениях, в которых работа с ПЭВМявляется основной, вибрация на рабочих местах не должен превышать допустимыхнорм вибрации, которые представлены в табл. 6.4.
Для снижения уровня шума в помещениииповешены однотонные занавеси из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен иподвешенные в складку на расстоянии 15–20 см от ограждения.
Табл. 6.4Среднегеометрческие частоты октавных полос, Гц Допустимые значения по виброускорению по виброскорости
/> дБ
/> дБ Ось X Ось Y 2 5,3х10 25 4,5х10 79 4 5,3х10 25 2,2х10 73 8 5,3х10 25 1,1х10 67 16 1,0х10 31 1,1х10 67 31,5 2,1х10 37 1,1х10 67 63 4,2х10 43 1,1х10 67 6.3 Эргономичность проекта6.3.1 Рабочее место оператора ЭВМ
Согласно [14], конструкция рабочегостула должна обеспечивать поддержание рациональной рабочей позы при работе наПЭВМ, позволять изменять позу с целью снижения статического напряжения мышцшейно-плечевой области и спины для предупреждения развития утомления. Рабочийстул должен быть подъемно-поворотным и регулируемым по высоте и углам наклонасиденья и спинки, а так же – расстоянию спинки от переднего края сиденья.
Конструкцияего должна обеспечивать:
· ширину и глубинуповерхности сиденья неменее 400 мм;
· поверхностьсиденья с закругленным передним краем;
· регулировкувысоты поверхности сиденья в пределах 400–550 мм и углам наклона вперед до15º и назад до 5º; – высоту опорной поверхности спинки 300±20 мм,ширину – не менее 380 мм и радиус кривизны горизонтальной плоскости – 400 мм;
· угол наклонаспинки в вертикальной плоскости в пределах 0±30º;
· регулировкурасстояния спинки от переднего края сиденья в пределах 260–400 мм;
· стационарные илисъемные подлокотники длиной не менее 250 мм и ширинрй – 50–70 мм;
· регулировкуподлокотников по высоте над сиденьем в пределах 230±30 мм и внутреннегорасстояния между подлокотниками в пределах 350–500 мм.
Экран видеомонитора должен находитьсяот глаз пользователя на оптимальном расстоянии 600–700 мм, но не ближе 500 мм.Расположение экрана должно обеспечивать удобство зрительного наблюдения ввертикальной плоскости под углом ±30º от нормальной линии взглядаоператора. Конструкция видеомонитора должна обеспечивать возможностьфронтального наблюдения экрана путем поворота корпуса в горизонтальнойплоскости вокруг вертикальной оси в пределах ±30º и в вертикальнойплоскости вокруг горизонтальной оси в пределах ±30º. Уровень глаз при вертикальнорасположенном экране ВДТ должен приходиться на центр или 2/3 высоты экрана.Линия взора должна быть перпендикулярна центру экрана и оптимальное ееотклонение от перпендикуляра, проходящего через центр экрана в вертикальнойплоскости, не должно превышать ±5º, допустимое ±10º.
Клавиатуру следует располагать наповерхности стола, на расстоянии 100–300 мм от края, обращенного кпользователю или на специальной, регулируемой по высоте рабочей поверхности,отделенной от основной столешницы.
Высота рабочей поверхности столадолжна составлять 725 мм. Модульными размерами рабочей поверхности столадля ВДТ и ПЭВМ, на основании которых должны рассчитываться конструктивныеразмеры, следует считать: ширину 800, 1000, 1200 и 1400 мм; глубину 800 и1000 мм при нерегулиремой его высоте, равной 725 мм.
Рабочий стол должен иметьпространство для ног высотой не менее 600 мм, шириной – не менее 500 мм,глубиной на уровне колен-не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног – неменее 650 мм.
Рабочее место должно быть оборудованоподставкой для ног, имеющей ширину не менее 300 мм, глубину не менее 400 мм,регулировку по высоте в пределах до 150 мм и по углу наклона опорнойповерхности подставки до 20º. Поверхность подставки должна быть рифленой ииметь по переднему краю бортик высотой 10 мм.
Схема рабочего места оператора ПЭВМпредставлена на рис.6.1.

/>
Рис. 6.1 Рабочее место оператора ПЭВМ

/>
/>Рис. />6.2 Схема расположения рабочих мест относительно светопроемов6.3.2 Оценка качества программныхсредств
Данная оценка производится согласно [15]и [16]. Программное средство оценивается по следующим факторам:
· надежность;
· сопровождаемость;
· удобствоприменения;
· эффективность.
Оценочные элементы фактора «надежность»,имеющиеся в программе: наличие средств контроля полноты входных данных иналичие обработки неопределенностей.
Оценочные элементы фактора «сопровождаемость»,имеющиеся в программе: наличие комментариев в точках входа и выхода программы;наличие комментариев ко всем машинозависимым частям программы; наличиекомментариев к заголовкам программы с указанием ее структурных и функциональныххарактеристик; наличие модульной схемы программы.
Оценочные элементы фактора «удобствоприменения», имеющиеся в программе: возможность освоения программы подокументации; полнота и ясность документации для освоения; наличие описанияосновных функций программного средства во встроенной справочной системе пакета Mathcad; наличие описания входных и выходныхданных; наличие рисунков, поясняющих характер вводимых данных; возможностьраспечатки содержимого программы; легкость и быстрота запуска и завершенияпрограммы; обеспечение удобства вывода данных; легкость восприятия.
Оценочные элементы фактора «эффективность»,имеющиеся в программе: использование функций ввода / вывода; регулировка числа знаков после запятой врезультате вычислений; возможность настройки формата выходных данных дляконкретных пользователей; наличие заголовка в программе; размещение операторовпо строкам.6.4 Экологичность проекта
На рабочем месте монитор ПЭВМявляется источником электромагнитного и рентгеновского излучения.
Источником рентгеновских лучей внутримонитора является внутренняя флуоресцирующая поверхность экрана. Согласно [14],конструкция видеомонитора должна обеспечивать мощность экспозиционной дозырентгеновского излучения в любой точке на расстоянии 0,05 м от экрана икорпуса при любых положениях регулировочных устройств не превышающую 7,74х10А/кг, что соответствует эквивалентной дозе, равной 0,1 мбэр/час (100 мкР/час).
Допустимые значения параметровнеионизирующих электромагнитных излучений приведены в табл. 6.5.
Для защиты от электромагнитных иэлектростатических полей рекомендуется применение приэкранных фильтров,специальных экранов и других средств индивидуальной защиты.
 
Табл. 6.5Наименование параметров c 01.01.1997 Допустимое значение Напряженность электромагнитного поля на расстоянии 50 см. вокруг ВДТ по электрической составляющей должна быть не более: – в диапазоне частот 5 Гц – 2 кГц; 25 В/м – в диапазоне частот 2 – 400 кГц 2,5 В/м
Плотность магнитного потока должна быть не более:
– в диапазоне частот 5 Гц – 2 кГц; 250 нТл – в диапазоне частот 2 – 400 кГц. 25 нТл Поверхностный электростатический потенциал не должен превышать 500 В
Согласно техническому паспорту намонитор, он разработан в соответствии с рекомендациями SWEDAC (MPR II) по уменьшению электрических имагнитных полей./>/>6.5Особенности проектирования антенно-фидерных устройств к воздействию сильныхэлектромагнитных излучений. Возможный характер повреждений
Если не обеспечена электромагнитнаясовместимость антенно-фидерных трактов с внешней средой, то может возникнутьподавление слабого сигнала сильной помехой, пробой диэлектрика в фидере, выходиз строя входного каскада РЭА. Кроме того, необходимо осуществлять защитуперсонала от воздействия электромагнитного излучения радиочастоты (ЭМИ РЧ).
Для предотвращения возникновенияпоследствий чрезвычайных ситуаций и для защиты персонала необходимо проводить [22]:
· организационныемероприятия (рационально выбирать режимы работы оборудования, ограничиватьместо и время нахождения персонала в зоне воздействия электромагнитных полей);
· инженерно-техническиемероприятия (экранирование, применение фильтров в каскадах РЭА, заземлениеантенно-фидерных трактов, использование поглотителей мощности);
· лечебно-профилактическиемероприятия, направленные на предупреждение, диагностику и лечение нарушений всостоянии здоровья работника, связанные с воздействием ЭМИ РЧ;
· использоватьсредства индивидуальной защиты.6.5.1Экранирование
Экранирование является одним изэффективных средств защиты антенно-фидерных устройств от действия мощногоэлектромагнитного излучения, возникающего при атомных и термоядерных взрывах, атакже от излучения радиолокационных установок, работающих в импульсном режиме.
Экранирование являетсяконструкторским средством ослабления электромагнитного поля помех в пределахопределенного пространства и предназначено для повышения помехозащищенности иобеспечения электромагнитной совместимости РЭА. Конструкции, реализующиеуказанные требования, называются экранами.
Коэффициент экранирования />представляет собой отношениенапряженности электрического />илимагнитного />поля в какой-либо точкезащищаемого пространства при наличии экрана к напряженности /> и />при отсутствии экрана в тойже точке. Практически принято оценивать действие экрана экранным затуханием,которое определяется по следующей формуле, взятой из [13].
/>, дБ (6.8)
Электромагнитный экран одновременно свыполнением основной функции оказывает воздействие на собственные параметрыцепей и контуров экранируемого объекта, что связано с перераспределениемэлектромагнитного поля при установке экрана. Это влияние оценивается с помощьюкоэффициента реакции экрана, т.е. отношения /> (или/>) в точке пространствапомехонесущего поля при наличии экрана к /> (или/>) при отсутствии экрана [13]
/> (6.9)
Экранирование источников ЭМИ РЧоссуществляется с помощью отражающих или поглощающих экранов. Отражающие экранывыполняют из металлических листов, сетки, ткани с микропроводом. В поглощающихэкранах используются специальные материалы, обеспечивающие поглощение излучениясоответствующей длины волны.
При испытании, настройке ирегулировке аппаратуры СВЧ применяют защиту рабочего места, представленную нарис. 6.3. Экранвыполняют из металлических листов или сетки, а со стороны излучения покрываютпоглощающим материалом, чтобы снизить или исключить отражение от негоэлектромагнитной энергии.
Уменьшение мощности излучениянепосредственно в самом источнике излучения достигается за счет примененияпоглотителей мощности, способных ослабить излучение в 60 дБ и более.
/>

Рис. 6.3 Экранированиерабочего места 1- генератор СВЧ; 2- антенна; 3-экран; 4- поглощающий материал; 5 — рупор
Защита временем предусматриваетограничение времени пребывания человека в электромагнитном поле и применяется,когда нет возможности снизить интенсивность излучения до допустимых значений. Вдиапазоне частот 300 МГц. 300 ГГц значения предельно допустимых уровнейплотности потока энергии (ППЭ) представлены в табл. 6.6.
Табл. 6.6Продолжительность воздействия, ч
/> 8 и более 25 7 29 6 33 4 50 2 100 1 200 0,5 400 0,2 и менее 1000
Защита расстоянием применяется в томслучае, если невозможно ослабить интенсивность облучения другими мерами, в томчисле и сокращением времени пребывания человека в опасной зоне. В этом случаеприбегают к увеличению расстояния между излучателем и обслуживающим персоналом.
Помимо обеспечения заданной эффективностизатухания и коэффициента реакции к экрану предъявляются следующие требования:
· тепловой режим,пыле- и влагозащищенность, устойчивость к вибрационным и ударным нагрузкам;
· требованияэргономики, технологичности конструкции.6.5.2 Фильтрация
Основным средством ослаблениякондуктивных помех является фильтрация. Предназначенные для этой целипомехоподавляющие устройства позволяют снижать кондуктивные помехи как отвнешних, так и от внутренних источников.
Эффективность фильтрации определяетсявносимым затуханием, которое определяется по следующей формуле, взятой из [13]
/>, дБ (6.10)
где /> — напряжение помех на нагрузке в исходном состоянии,
/>-напряжение на нагрузке прифильтрации.
К фильтру предъявляются следующиетребования:
· обеспечениезаданной эффективности фильтрации в требуемом диапазоне частот;
· ограничение потребованиям техники безопасности допустимого значения реактивной составляющейтока на основной частоте;
· конструктивные:эффективность экранирования, минимальные габариты и масса, тепловой режим,стойкость к механическим и климатическим воздействиям, технологичностьконструкции.6.5.3 Заземление
Система заземления – этоэлектрическая цепь, обладающая свойством сохранять минимальный потенциал,являющийся уровнем отсчета в конкретной аппаратуре.
Антенно-фидерны системы всегда заземляютсяотдельной цепью заземления. Т. к. антенны используются на высоте обычнопревышающей высоту окружающих предметов, то необходимо предусмотреть наличиемолниеотвода и заземления.
Согласно [26], молниеотвод защищаетот прямых ударов, электростатической и электромагнитной индукции и заносавысоких потенциалов. Зона защиты молниеотвода должна быть типа А, котораяобеспечивает степень надежности 99.5% и выше.
Для приема электростатичекого зарядамолнии и отвода ее токов в землю служат специальные частимолниезащиты-молниеотводы, которые состоят из несущей части (опоры),молниеприемника, токоотвода и заземлителя. В качестве конструкции выберемодиночный стержневой молниеотвод. Опора молниеотвода выполняется из стали любоймарки, железобетона или дерева. Высоту опоры молниеотвода примем равной 2 м,тогда зона защиты для стержневого молниеотвода будет иметь вид, паредставленныйна рис. 6.4.
Стержневой молниеприемникизготавливают из стали сечением не менее 100 мм2 и длиной неменее 200 мм. От каждого стержневого молниеприемника устраивают не менеедвух токоотводов. Токоотводы, соединяющие сетку или кровлю с заземлителямипрокладываются не реже, чем через 25 м по периметру здания. Токоотводывыполняются в виде стальных тросов, полос, труб, сечением (24–48 мм2)и прокладываются к заземлителям кратчайшим путем. Они должны быть оцинкованы,пролужены или окрашены. При прокладке во избежание разрыва отэлектродинамических усилий при больших токах молнии, необходимо избегать острыхуглов и петель. В качестве заземлителя можно использовать следующие конструкции:
а) углубленные из полосовой иликруглой стали, укладываемые на дно котлована.
б) вертикальные из стальныхввинчиваемых стержней (2–5 м) или на уголковой стали; верхний конец заземлителяуглубляется на 0,6–0,7 м.
в) горизонтальные – из круглой или полосовойстали (160 мм2), уложенные на глубине 0,6–0,8 м в видеодного или нескольких симметричных лучей.
г) комбинированные – вертикальные игоризонтальные.
Соединение молниеприемниковтокоотводов и заземлителей проводится с помощью сварки. Сопротивлениезаземлителя должно быть не более 10 Ом. Заземлитель защиты от прямых ударовмолнии объединяют с заземлителем электроустановок.
Антенна имеет прямоугольную форму,подсчитаем ожидаемое количество поражений молнией в год (N) по следующей формуле, взятой из [26]:
/>, (6.11)
где h – наибольшая высотасооружения, м;
S, L – соответственно ширина и длинасооружения, м;
n – среднегодовое число ударов молнии в 1 км2земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю) в местенахождения здания.
Для расчета используем следующиеданные h=15 м (антенна установлена на крыше 5‑этажногодома), S=1 м, L=1 м, n=4 (соответствует среднегодовой продолжительности гроз 40–60 ч),тогда
/>
Для защиты зданий от вторичныхпроявлений молнии предусматривают следующие мероприятия:
· металлические корпуса всего оборудования и аппаратов,установленных в защищаемом объекте, присоединяют к заземляющему устройствуэлектроустановок или к железобетонному фундаменту здания;
· внутри здания между трубопроводами и другимипротяженными металлическими конструкциями в местах их сближения на расстояниеменее 10 см через каждые 30 м выполняют перемычки;
· во фланцевых соединениях трубопроводов внутри зданияобеспечивают нормальную затяжку не менее четырех болтов на каждый фланец.
Для защиты от вторичных проявлениймолнии металлические корпуса объекта присоединяют к заземляющему устройствуэлектрооборудования или к заземлителю защиты от прямых ударов молнии. Защиту отзаноса высокого потенциала по подземным коммуникациям осуществляютприсоединением их на вводе в сооружение к заземлителю электроустановок илизащиты от прямых ударов молнии.
Защиту от заноса высокого потенциалапо внешним наземным (надземным) коммуникациям выполняют путем их присоединенияна вводе в сооружение к заземлителю электроустановок или защиты от прямыхударов молнии, а на ближайшей к вводу опоре коммуникации – к ее железобетонномуфундаменту.
/>

Рис. 6.4 Молниезащита антенны
Рабочее место разработчика данногопрограммного продукта, находящееся в домашних условиях не удовлетворяеттребованиям электробезопасности по следующим пунктам:
1) питание к ПЭВМподводится от розетки не с помощью специальной вилки с заземляющим контактом,
2) не подключены кзаземлению металлические части оборудования, доступные для оператора.
3) не предусмотреназащита сети от перегрузок
С точки зрения пожаробезопасностирабочее место не удовлетворяет следующим требованиям:
1) для оперативногооповещения не применяются средства автоматического обнаружения пожара идымоулавливающие датчики;
2) для тушения пожара не установлены углекислотныеогнетушители.
Микроклимат рабочего местасоответствует всем требованиям. Для выполнения требований по освещенноститребуется установить в помещении светильники, количество и тип которых былопределен в ходе расчетов в разделе 6.2.4.
Оборудование удовлетворяеттребованиям по шуму и вибрации. Современный дизайн системного блока и монитораПЭВМ соответствует всем требованиям эргономики рабочего места.
Заключение
В дипломной работе были достигнутыследующие результаты:
1. Реализованалгоритм расчета взаимного сопротивления между полосковыми излучателями,выполненными на многослойной диэлектрической подложке, который основан наметоде бесконечных периодических структур.
2. На осоноверазработанного алгоритма в современном математическом пакете для инженерныхрасчетов Mathcad был создан пакет программ,позволяющий вычислить полевые и импедансные характеристики ФАР как с учетом,так и без учета взаимной связи между излучателями.
3. С помощью пакетапрограмм были получены зависимости взаимного сопротивления между излучателямиот расстояния при различных материалах диэлектрической подложки.
4. Рассчитаныдиаграммы направленности при разных размерах антенной решетки.
5. Построенычастотные зависимости характеристики ФАР и представлены возможности учетавзаимной связи при согласовании ФАР с линией питания.
Приложение 1
Тексты файлов данных, генерируемыхпрограммой ФАР_вз_связь.mcd.
DataZ_2.6_1600_MHz.prn
**********************
/ Datafile written byMathcad 8.0
 // 06/03/01 02:22:29
MATRIX 0 0 2 1
{1,0,3,1} {2,1,24,1}
MATRIX 1 0 3 1
{3,1,26,1} {4,1,26,1}{5,1,26,1}
MATRIX 2 1 24 1
0.1786, 0 1600, 0 0.424, 00.424, 0
3, 0 1, 0 1, 0 2.6, 0
1, 0 1, 0 1, 0 1, 0
0, 0 0, 0 2, 0 2, 0
0.5, 0 0.5, 0 1, 0 1, 0
1, 0 1, 0 50, 0 0.9285, -2.086
MATRIX 3 1 26 1
1.456, -1.515 0.8771, -2.0770.9393, -2.066 0.9322, -2.069
0.9266, -2.057 0.9319, -2.0740.9283, -2.061 0.9266, -2.071
0.925, -2.071 0.925, -2.0710.925, -2.071 0.925, -2.071
0.925, -2.071 0.925, -2.0710.925, -2.071 0.925, -2.071
0.925, -2.071 0.925, -2.0710.925, -2.071 0.925, -2.071
0.925, -2.071 0.925, -2.0710.925, -2.071 0.925, -2.071
0.925, -2.071 0.925, -2.071
MATRIX 4 1 26 1
1.348, -2.099 0.7965, -2.0970.962, -2.094 0.9431, -2.095
0.9167, -2.097 0.9337, -2.0960.9257, -2.094 0.9277, -2.095
0.9277, -2.095 0.9277, -2.0950.9277, -2.095 0.9277, -2.095
0.9277, -2.095 0.9277, -2.0950.9277, -2.095 0.9277, -2.095
0.9277, -2.095 0.9277, -2.0950.9277, -2.095 0.9277, -2.095
0.9277, -2.095 0.9277, -2.0950.9277, -2.095 0.9277, -2.095
0.9277, -2.095 0.9277, -2.095
MATRIX 5 1 26 1
1.06, -2.179 0.9546, -2.0710.9197, -2.073 0.9318, -2.089
0.9291, -2.083 0.9238, -2.0830.9298, -2.084 0.9298, -2.084
0.9298, -2.084 0.9298, -2.0840.9298, -2.084 0.9298, -2.084
0.9298, -2.084 0.9298, -2.0840.9298, -2.084 0.9298, -2.084
0.9298, -2.084 0.9298, -2.0840.9298, -2.084 0.9298, -2.084
0.9298, -2.084 0.9298, -2.0840.9298, -2.084 0.9298, -2.084
0.9298, -2.084 0.9298, -2.084
DataZ_2.6_1680_MHz.prn
*********************
 // Datafile writtenby Mathcad 8.0
 // 06/03/01 18:12:43
MATRIX 0 0 2 1
{1,0,3,1} {2,1,24,1}
MATRIX 1 0 3 1
{3,1,26,1} {4,1,26,1}{5,1,26,1}
MATRIX 2 1 24 1
0.1786, 0 1680, 0 0.424, 00.424, 0
3, 0 1, 0 1, 0 2.6, 0
1, 0 1, 0 1, 0 1, 0
0, 0 0, 0 2, 0 2, 0
0.5, 0 0.5, 0 1, 0 1, 0
1, 0 1, 0 50, 0 1.059, 0.1557
MATRIX 3 1 26 1
1.695, 0.9479 0.9997, 0.16091.071, 0.1726 1.063, 0.1697
1.057, 0.1837 1.063, 0.16371.059, 0.1785 1.057, 0.1665
1.055, 0.1668 1.055, 0.16681.055, 0.1668 1.055, 0.1668
1.055, 0.1668 1.055, 0.16681.055, 0.1668 1.055, 0.1668
1.055, 0.1668 1.055, 0.16681.055, 0.1668 1.055, 0.1668
1.055, 0.1668 1.055, 0.16681.055, 0.1668 1.055, 0.1668
1.055, 0.1668 1.055, 0.1668
MATRIX 4 1 26 1
1.575, 0.1778 0.9067, 0.13731.097, 0.1465 1.076, 0.1443
1.045, 0.1416 1.065, 0.14271.056, 0.1443 1.058, 0.1439
1.056, 0.146 1.056, 0.146 1.056,0.146 1.056, 0.146
1.056, 0.146 1.056, 0.146 1.056,0.146 1.056, 0.146
1.056, 0.146 1.056, 0.146 1.056,0.146 1.056, 0.146
1.056, 0.146 1.056, 0.146 1.056,0.146 1.056, 0.146
1.056, 0.146 1.056, 0.146
MATRIX 5 1 26 1
1.223, 0.06011 1.089, 0.17061.048, 0.1685 1.063, 0.1494
1.059, 0.1567 1.053, 0.15621.06, 0.155 1.06, 0.155
1.06, 0.155 1.06, 0.155 1.06,0.155 1.06, 0.155
1.06, 0.155 1.06, 0.155 1.06,0.155 1.06, 0.155
1.06, 0.155 1.06, 0.155 1.06,0.155 1.06, 0.155
1.06, 0.155 1.06, 0.155 1.06,0.155 1.06, 0.155
1.06, 0.155 1.06, 0.155
DataZ_2.6_1740_MHz.prn
*********************
 // Datafile writtenby Mathcad 8.0
 // 06/03/01 17:35:22
MATRIX 0 0 2 1
{1,0,3,1} {2,1,24,1}
MATRIX 1 0 3 1
{3,1,26,1} {4,1,26,1}{5,1,26,1}
MATRIX 2 1 24 1
0.1786, 0 1740, 0 0.424, 00.424, 0
3, 0 1, 0 1, 0 2.6, 0
1, 0 1, 0 1, 0 1, 0
0, 0 0, 0 2, 0 2, 0
0.5, 0 0.5, 0 1, 0 1, 0
1, 0 1, 0 50, 0 1.169, 1.777
MATRIX 3 1 26 1
1.896, 2.801 1.104, 1.778 1.182,1.79 1.173, 1.786
1.166, 1.802 1.173, 1.78 1.169,1.797 1.166, 1.783
1.164, 1.783 1.164, 1.783 1.164,1.783 1.164, 1.783
1.164, 1.783 1.164, 1.783 1.164,1.783 1.164, 1.783
1.164, 1.783 1.164, 1.783 1.164,1.783 1.164, 1.783
1.164, 1.783 1.164, 1.783 1.164,1.783 1.164, 1.783
1.164, 1.783 1.164, 1.783
MATRIX 4 1 26 1
1.768, 1.84 1.001, 1.751 1.211, 1.7661.187, 1.763
1.154, 1.76 1.175, 1.761 1.165, 1.7631.167, 1.763
1.165, 1.765 1.165, 1.765 1.165,1.765 1.165, 1.765
1.165, 1.765 1.165, 1.765 1.165,1.765 1.165, 1.765
1.165, 1.765 1.165, 1.765 1.165,1.765 1.165, 1.765
1.165, 1.765 1.165, 1.765 1.165,1.765 1.165, 1.765
1.165, 1.765 1.165, 1.765
MATRIX 5 1 26 1
1.362, 1.684 1.202, 1.792 1.157,1.788 1.173, 1.767
1.169, 1.776 1.163, 1.775 1.17, 1.7741.17, 1.774
1.17, 1.774 1.17, 1.774 1.17, 1.7741.17, 1.774
1.17, 1.774 1.17, 1.774 1.17, 1.7741.17, 1.774
1.17, 1.774 1.17, 1.774 1.17, 1.7741.17, 1.774
1.17, 1.774 1.17, 1.774 1.17, 1.7741.17, 1.774
1.17, 1.774 1.17, 1.774
Библиографическийсписок
1. Князев С.Т. Расчет электродинамическиххарактеристик антенных решеток при наличии слоистого диэлектрика, Свердловск,1984.
/>/>2. Метод расчета взаимныхсопротивлений, основанный на теории бесконечных периодических структур. Князев С.Т.,Наймушин М.П., Панченко Б.А.-Радиотехника и электроника, вып. 6, 1046–1049 с.,1985.
/>/>3. Сазонов Д.М. Антенны иустройства СВЧ: Учеб. для радиотехнич. спец. вузов.-М. Высш. шк., 1988. –432 с.
4. Антенны и устройства СВЧ. Проектированиефазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов/ В.С. Филиппов,Л.И. Пономарев, А.Ю. Гринев и др.; Под ред. Д.И. Воскресенского. 2-е изд. – М.:Радио и связь, 1994 – 592 с.
5. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движениемлуча (введение в теорию). – М.: Советское радио, 1965.
6. Анализ и синтез антенных решеток/ Чаплин А.Ф. –Львов: Вища шк. Изд-во при Львов. ун-те. 1987. – 180 с.
7. Сканирующие антенные системы СВЧ. т. II, перевод с англ. под ред. Г.Т. Марковаи А.Ф. Чаплина, изд-во Советское радио, 496 с.
8. Организационно-экономическое обоснование конструкторско-технологическихпроектов в условиях рыночной экономики: методические указания по дипломномупроектированию / С.П. Павлов, В.А. Сорокин. Екатеринбург: УГТУ, 1995.
/>9. Оформление учебных программных продуктов:методические указания / С.Ю. Дайлис,Р.А. Петров. Екатеринбург: УГТУ, 1996.
10. ГОСТ 19.504–79. Руководство программиста.
11. О составе затрат и единых нормах амортизационныхотчислений: Сборник нормативных документов с комментариями, 2000.
12. ГОСТ 12.1.019–79. ССБТ. Электробезопасность. Общиетребования.
13. Мырова Л.О. Обеспечене стойкостиаппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям – М.: Радио и Связь,1988.
/>/>14. СанПиН 2.2.2.542–96. Гигиеническиетребования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительныммашинам и организации работы.
15. ГОСТ 28195–89. Оценка качества программных средств.Общие положения.
16. ГОСТ 28806–90. Качество программных средств. Терминыи определения.
17. ГОСТ 12.1.033–81. ССБТ. Пожарная безопасностьобъектов с электрическими сетями.
/>/>18. ГОСТ 12.1.004–85. ССБТ. Пожарнаябезопасность. Общие требования.
19. ОНТП 24–86. Общесоюзные нормы техническогопроектирования. Определение категорий помещений и зданий по взрывоопасной ипожарной безопасности.
20. СниП 2.01.02–85. Противопожарные нормы и правила.
/>/>21. Кобевник В.Ф. Охранатруда – Киев: В.Ш., 1990.
22. Безопасность жизнедеятельности. Безопасностьтехнологических процессов и производств: Учебное пособие для вузов/ П.П. Кукин,В.Л. Лапин, Е.А. Подгорных. – М. Высш. шк., 1999.
23. ГОСТ 12.1.038–82. Электробезопасность. Предельнодопустимые значения напряжений прикосновения и токов.
24. Долин П.А. Основы техники безопасности вэлектроустановках. М.: Энергоатомиздат, 1984.
25. ГОСТ 12.4.009–85. ССБТ. Пожарная техника для защитыобъектов. Общие требования.
26. Требованияпожарной безопасности к проектам сооружений. Internet‑адрес: www.zodchiy.ru/s-info/archive/24.97