Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Сборник трудов победителей конкурса на лучшую научную работу студентов и аспирантов ВГТУ

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
6.92 Mб
Скачать

возрастают вдоль линии, близкой к прямой. То есть, пиковое отношение сигнал-шум в большей степени отражает динамику изменения качества восстановленного изображения.

Рассмотрим теперь изображение, которое имеет более резкие перепады по яркости цвета (рис.

4).

графике аналогичного эффекта нет. Поскольку

критерий является основным, то можно утверждать, что для изображения б ДКП имеет лучшие показатели, чем ВП при различных степенях сжатия.

Определим насколько близки методы сжатия применительно к рассмотренным изображениям а и б (рис. 7), для чего введем следующую зависимость:

где

зависимости

при сжатии изображений с

помощью ДКП и ВП соответственно.

Таким

образом, чем выше значения

, тем больше разница между методами сжатия для заданного изображения.

Рис. 4. Тестовое изображение б (512×512)

При сжатии вейвлетами фотографии города в 40 раз (рис. 5) сильно заметно размытие зданий на заднем плане и контуров объектов, почти не видно волн на воде. В случае использования ДКП просматриваются блоки, но в целом изображение сохраняет свою целостность.

Рис. 5. Сжатие тестового изображения б в 40

раз

Графики критериев эффективности сжатия при разных значениях степени сжатия приведены на рис.

6.

Рис. 6. Зависимости критериев эффективности сжатия изображения б от степени его сжатия для ДКП (сплошная) и ВП (пунктир)

Зависимости и вновь показывают превосходство ДКП над ВП по качеству восстановленного изображения. Правда, на графике MSE имеется область (cr 50), в пределах которой пунктирная линия располагается ниже сплошной, а значит, более выигрышным является использование ВП. Однако для той же области на соседнем

Рис. 7. Зависимости для изображений а – «футбольный вратарь» (сплошная) и б – «город» (пунктир)

Из рис. 7 видно, что для изображения б разница между ДКП и ВП больше. Очевидно, это связано с характером самого изображения, а именно с перепадами яркостей пикселей. Представленные на рис. 4 небоскребы имеют цвет, близкий к черному, а общий фон – белый. Такая комбинация при сжатии вейвлетами приводит к размытию контуров зданий более заметному человеческому глазу, чем для более монотонного изображения (рис.

1), что снижает значения

относительно значений . Предварительно получаем, что вейвлет-

преобразованием лучше сжимать изображения с малыми колебаниями интенсивности цвета, так как эффект размытия менее заметен. Для ДКП - сжатия сложно визуально оценить, как влияет однотонность исходного изображения на качество восстановления, поэтому будем считать эти характеристики независимыми.

Рассмотрим три изображения (рис. 8) с различными оттенками серого (черный, серый, белый). В пределах каждого из них пиксели имеют близкие значения по яркости. Эти изображения будем считать однотонными.

Из рис. 9 следует, что для изображений «лошадь» и «розы» зависимость MSE(cr) для ВП находится ниже, чем соответствующая зависимость для ДКП, а для фотографии «пустыня» они почти совпадают.

90

Ниже представлены графики MSE для изображений на рис. 9.

Рис. 8. Изображения «лошадь», «пустыня», «розы» (512×512)

Рис. 9. MSE для однотонных изображений (ДКП – сплошная, ВП – пунктир)

Рассмотрим теперь зависимости критерия

для тех же изображений (рис. 10).

Из анализа левого графика («лошадь») на рис. 10 следует, что качество восстановленного изображения для большинства степеней сжатия при ДКП выше, но ВП имеет лучшие показатели при большом сжатии. Для правого графика («розы») ВП лучше для половины степеней сжатия. Для центрального графика («пустыня») ДКП превосходит ВП при любом сжатии.

Рис. 10. Зависимости для однотонных изображений (ДКП – сплошная, ВП - пунктир)

Определим теперь разницу для рассматриваемых однотонных изображений (рис.

11).

Рис. 11. Зависимости для однотонных изображений («пустыня» – сплошная, «лошадь» – пунктир, «розы» – точки)

Малые значения зависимостей на рис. 11 показывают, что ВП-сжатие достаточно

близко к ДКП-сжатию по качеству восстановленного изображения. При некоторых степенях сжатия наблюдается превосходство метода ВП над ДКП, о чем свидетельствуют отрицательные

значения . По критерию MSE (рис. 9) изображения «лошадь» и «розы» лучше всего сжимать вейвлетами, а фотографию пустыни – ДКП.

По критерию (рис. 10) первые два изображения лучше сжимать ДКП, ВП лучше использовать лишь при некоторых степенях сжатия. Для изображения «пустыня» ДКП имеет небольшое преимущество при любом сжатии. Критерий

более детально определяет, в каких случаях целесообразно использовать ВП, т.к. в его основу заложено зрительное восприятие человека. Выбор метода сжатия по критерию MSE носит более грубый характер. Тем не менее, его использование возможно. Например, если характеристика MSE(cr) для ДКП находится заметно ниже соответствующей зависимости для ВП, то выбирать необходимо первый метод. Если эти характеристики почти совпадают или линия для ДКП немного выше, чем линия для ВП, то вполне приемлем выбор ВП, так как отличия по качеству восстановленного изображения между этими методами не столь велики. Для расчета значений MSE следует проводить несложные вычисления. В свою очередь,

для определения значений требуется целый алгоритм. Поэтому в ряде случае критерий MSE имеет преимущество при определении лучшего метода сжатия.

Таким образом, на основе субъективной визуальной оценки, с помощью критериев

и MSE установлено, что для рассмотренных тестовых изображений с оттенками серого, имеющих размеры 256×256 и 512×512, сжатие с помощью ДКП имеет лучшие результаты при восстановлении в большинстве случаев. Метод ВП из-за эффекта размытости почти не пригоден для обработки изображений с резким изменением яркости пикселей. Он существенно приближается к ДКП только при сжатии изображений с малыми колебаниями интенсивности цвета и может, при необходимости, заменить его с незначительной потерей качества. При больших степенях сжатия однотонных изображений, в некоторых случаях, ВП превосходит по качеству восстановления ДКП.

Также выявлено, что критерий MSE вполне

неплохо согласуется с критерием и может использоваться для выбора метода сжатия.

Литература

1.Илюшкина Н. Применение новых критериев оценки качества изображений после их сжатия с потерями / Н. Илюшкина, М. Чобану // Современная электроника. –

2007. – №3. – С. 66-69.

2.Гонсалес Р. Цифровая обработка изображений в среде Mathlab / Р. Гонсалес, Р. Вудс , С. Эддинс, - М.: Техносфера, 2006. – 616 с.

91

УДК 532.685

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ ТУРБУЛЕНТНОСТИ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКОСТИ ЧЕРЕЗ НИТЕВИДНЫЕ МОНОКРИСТАЛЛЫ КРЕМНИЯ

Аспирант кафедры РД Лазаренко Игорь Николаевич Студент группы РД-091 Зайцева Александра Владимировна Руководители: канд. техн. наук, ст.преп. Шматов Д.П., канд. техн. наук, ст.преп. Коновалов Д.А.

Данная работа посвящена сравнительному анализу моделей турбулентности при моделировании течения жидкости через нитевидные монокристаллы кремния. Предложено два варианта матрицы из нитевидных кристаллов кремния. Произведен анализ четырех моделей турбулентности и выбран ее наиболее предпочтительный вариант

Одним из способов интенсификации теплопереноса является использование пористых и микроканальных теплообменных элементов. Возможность создания пористых и микроканальных материалов с заданными свойствами, высокая интенсивность теплообмена между матрицей и охладителем делает такие элементы в ряде случаев незаменимыми.

Исследованию этого вопроса посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов, например [1].

Следует отметить, что на процесс теплопереноса оказывает непосредственное влияние не только конвективная составляющая, но и теплофизические свойства непосредственно теплоотводящего элемента, а также термическое сопротивление между «горячей» поверхностью и охладителем. Одним из решений данной проблемы является использование микроканальных элементов на основе монокристаллов кремния Базовый макет варианта теплоотводящих элементов из нитевидных кристаллов кремния, выращенных на подложке полупроводника, представлен на рис. 1. В таком варианте элементы охлаждения образуют монолитную конструкцию вместе с тепловыделяющим элементом, при этом исключается термическое сопротивление, которое присутствует в варианте при раздельном исполнении теплообменника и тепловыделяющего элемента.

Рис. 1. Микроканальные теплоотводящие элементы на основе матрицы нитевидных монокристаллов кремния

В материалах статьи рассмотрены два варианта матриц со сплошным и зигзагообразным расположением теплоотводящих элементов (шипов) из нитевидных кристаллов кремния. На их основе были созданы 2 модели области течения охладителя через теплоотводящие элементы

(рис. 2, 3). Данные модели были созданы в графическом пакете SolidWorks.

Рис. 2. Модель области течения со сплошным расположением теплоотводящих элементов

Рис.3. Модель области течения с зигзагообразным расположением теплоотводящих элементов

При моделировании гидродинамики течения охладителя использовалось несколько моделей описания турбулентностей. Выбор нескольких моделей для проведения расчетов обусловлен тем, что в настоящее время остаются недостаточно исследованными процессы гидродинамики течения охладителя в нано- и микромасштабах.

Для численного моделирования были применены 4 модели: 1) Модель прямого численного моделирования Laminar, (DNS - Direct

Numerical Simulation). Подразумевает полное решение уравнений Навье – Стокса и уравнений неразрывности в зависимости от времени. На самом

92

фундаментальном

 

уровне

DNS

может

использоваться

для

понимания

структуры

турбулентности.

2) Модель

k . Относится к

модели с двумя дифференциальными уравнениями. Содержит уравнение переноса кинетической энергии турбулизации к и удельной скорости диссипации пульсаций. Данная модель используется преимущественно при моделировании пристеночных течений и низких числах Рейнольдса. 3) Модель k . Также относится к модели с двумя дифференциальными уравнениями. Она основана на понятиях о реализации полностью развитых турбулентных течений при больших числах Рейнольдса. 4) Двухслойная SST модель. Относится

кмодели с двумя дифференциальными

уравнениями. Учитывает

в себе модели

k

и

k .

Данная

модель

обеспечивает

плавный

переход от k

модели в пристеночных областях к

модели

k

вдали от твердых стенок [2, 3].

 

Было

произведено

решение поставленной

задачи в программном комплексе ANSYS CFX с

применением четырех моделей турбулентности, и получены следующие результаты (табл. 1 – 4).

Результаты расчета потери давления в области

течения

со

сплошным

расположением

теплоотводящих элементов приведены в табл. 1.

 

 

 

 

Таблица 1

Наименование

 

Потери давления

 

модели

 

 

в образце, Па

Laminar

 

 

278,568

K-Epsilon

 

 

382,172

K-Omega

 

 

260,566

SST

(shear

stress

 

258,414

transport)

 

 

 

 

В табл. 2 показаны значения максимальных скоростей в области течения со сплошным расположением теплоотводящих элементов.

Таблица 2

Наименование

Максимальная

скорость

модели

 

 

в образце, м/с

 

 

Laminar

 

0,282

K-Epsilon

 

0,216

K-Omega

 

0,277

SST (shear

stress

0,277

transport)

 

 

 

Результаты расчета потери давления в области течения с зигзагообразным расположением теплоотводящих элементов приведены в табл. 3.

 

Таблица 3

Наименование

Потери давления

модели

в образце, Па

Laminar

6,332

K-Epsilon

8,302

K-Omega

5,439

SST (shear stress

5,415

transport)

В табл. 4 показаны значения максимальных скоростей в области течения с зигзагообразным расположением теплоотводящих элементов.

Таблица 4

Наименование

Максимальная

скорость

модели

в образце, м/с

 

Laminar

0,044

K-Epsilon

0,033

K-Omega

0,044

SST (shear stress

0,044

transport)

По полученным данным расчетов можно сделать вывод о том, что с применением модели турбулентности K-Epsilon получается результат отличный от других моделей, которые в свою очередь

дают более близкие решения, о чем можно судить по значениям потерь давления в образцах (табл. 1, 3) и максимальным значениям скоростей

(табл. 2, 4).

Литература

1.Резник С.В. Математическое обеспечение экспериментальных исследований теплообмена в пористых материалах тепловой защиты многоразовых космических аппаратов / С.В. Резник, П.В. Просунцов, В.П. Тимошенко // Дисперсные потоки и пористые среды. Интенсификация теплообмена: труды IV Рос. нац. конф. по теплообмену. М.: МЭИ, 2006. - Т. 6. С. 109-112.

2.Белов И.А. Моделирование турбулентных течений: учеб. пособие И.А. Белов, С.А. Исаев // Балтийский государственный технический университет "Военмех", Типография БГТУ, Санкт-Петербург, 2001. -

106 с.

3.Морозов И.И. Введение в численные методы вычислительной гидроаэродинамики: учеб. пособие И.И. Морозов, А.С. Ляскин // Издательство СГАУ, 2011. – 65 с.

93

УДК 316.014

СТУДЕНЧЕСКИЕ СТРОЙОТРЯДЫ – ФОРМА ОБЩЕСТВЕННОГО САМОУПРАВЛЕНИЯ

Студент группы СТ-091 Малкина Анастасия Александровна Руководитель: ст. преп. Мирошникова А.В.

Стройотряды студентов как самодеятельные и самоуправляемые объединения молодежи получили развитие в советский период. С 2003 г. в РФ вновь создаются и действуют студенческие стройотряды

История

студенческих

строительных

отрядов

залежных земель для развития сельского хозяйства.

началась в 1924 году. ВЦСПС, Наркомат труда и

И именно в Казахстане, благодаря физическому

просвещения совместно разработали инструкцию о

факультету МГУ прошли жизненную проверку и

прохождении практики студентов вузов в летнее

получили

дальнейшее

широкое

распространение

время на промышленных предприятиях и в сельском

способы организации, быта, идейно-политической,

хозяйстве. Наркомат финансов включил в бюджет

культурно-

массовой

работы

и

шефства

статью

расходов

средств

на

проведение

студенческих строительных отрядов над местным

производственной практики студентов. В апреле

населением. Это стало неотъемлемой частью

1925 года ЦК РКСМ обратился с призывом к

учебной , воспитательной работы в высших учебных

комсомольским организациям вузов об организации

заведениях и важным фактором помощи экономике

студентов во время летних каникул. В годы

страны.

Росла

численность

студенческих

предвоенных

пятилеток

 

студенческие

бригады

строительных отрядов и в 1962 году был принят

трудармейцев и синеблузников участвовали в

первый Устав студенческих строительных отрядов.

коммунистических субботниках, в строительстве

Его основы - это добровольность, самоуправление,

Днепрогэса и Магнитки, оказывали помощь в

сочетание хозяйственной деятельности с идейной

организации

 

пропагандистской,

культурно-

политической работой среди местного населения,

массовой и санитарно-просветительной работы в

строгая дисциплина. Опыт работы студентов на

отдаленных деревнях. Студенты заготавливали лес в

строительных площадках страны в составе

Архангельской области, строили железную дорогу

студенческих строительных отрядов показал, что

Москва-Омск, московский метрополитен, собирали

такая форма организации труда дает возможность

средства для создания эскадрильи имени

лучше использовать энтузиазм молодежи. Уже

Пролетарского студенчества.

 

 

 

 

 

летом 1962 года 9,5 тысяч юношей и девушек из 32-

После Великой Отечественной войны, в годы

х высших учебных заведений страны ударно

полнейшей разрухи - студенческие строительные

трудились на стройках целинного края. У

отряды участвовали в восстановлении Ленинграда,

студенческих

строительных

отрядов

появилась

Сталинграда. Донбасса, Днепрогэса и не только там.

газета

«Молодой

целинник».

Параллельно

Была

жизненно

необходима

помощь

в

студенческие строительные отряды организовывали

восстановлении

разрушенного

войной

народного

пионерские лагеря для школьников.

 

 

хозяйства, так как в войну погибло очень много

В 1963 году в составе студенческих

именно мужского состава населения и в деревнях

строительных

 

бригад

появились

первые

все держалось на плечах женщин и детей. Но

специализированные отряды электриков, связистов,

помощь носила эпизодический характер, не было

монтажников, появилась инженерная служба и

плана,

отсутствовали

 

договоры

 

между

медицинская.

 

 

 

 

 

 

студенческими

отрядами

и

 

хозяйственными

Расширяется

география

деятельности

организациями.

Студенческими

строительными

студенческих строительных отрядов. В 1965 году -

отрядами

руководили

преподаватели

учебных

это строительство объектов на газовых и нефтяных

заведений, а студенты распределялись в разные

месторождениях Западной Сибири, полуострова

строительные бригады, так как в эти годы пока не

Мангышлак, возведение Уфимского химического

было студенческих отрядов с принципами

завода, Салаватского нефтяного химического

самоуправления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

комбината, строили железные дороги Тайшет-Лена,

Начало движения студенческих строительных

Караганды-Караганы, газопроводы Бухара-Урал,

отрядов

связывают

 

с

работой

студентов

Абакан-Тайшет. Летом 1979 года строительные

Московского

Государственного

 

Университета

в

студенческие отряды принимают участие в

Казахстане. 13 октября 1958 года физический

строительстве Байкало-Амурской Магистрали, на

факультет МГУ на конференции комсомольской

стройках в Приморье. А летом 1985 года

организации принял решение попросить ЦК

студенческие отряды строят вместе со страной

ВЛКСМ предоставить объект для студенческой

КАТЭК,

Экибастуз.

Благодаря

участию

стройки и разрешения установить шефство над

студенческих отрядов в Таджикистане были

совхозом «Ждановский» Северо-Казахстанской

устранены последствия землетрясения. Были

области.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

основаны новые города Усть-Илим и Братск.

В середине 50-х годов перед страной стояли

Сейчас трудовые отряды необходимы как

задачи

быстрейшего

 

поднятия

целинных

и

воздух для молодых. Это реальная альтернатива

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

94

 

 

 

 

 

 

 

потребительскому отношению к жизни, которое навязывается умышленно средствами информации и противостоять, которой может далеко не каждый молодой человек. Какую же нишу займут в экономике страны вновь возрожденные студенческие строительные отряды? Пока в экономике нашей страны есть нужда в неквалифицированной рабочей силе, а студенты и есть временные рабочие. Остается только надеяться, что современные организаторы студенческих строительных отрядов смогут вместе с нашей современной молодежью стать достойными продолжателями инициатив своих отцов, а это значит, что какая-то часть молодежи не будет включена в мутный поток асоциальной деятельности. Посредством участия в деятельности студенческих строительных отрядов энергия молодежи будет направлена в нужное созидательное русло на благо нашего общества и будущего нашей страны. Правда, сейчас движение студенческих строительных отрядов имеет низкий уровень координации интеграции, ограничен числом участников, нет единой системы управления на федеральном уровне, но есть в их деятельности отдельные эффективно действующие системы управления регионального и местного уровня. Движение состоит из совокупности студенческих отрядов, создаваемых по инициативе или граждан – это автономные отряды, или различных организаций

– это базовые отряды. Создаются и те и другие студенческие отряды с целью общественного воспитания, формирования гражданственности, патриотизма у молодежи, реализации социальных и трудовых инициатив студенчества, приобретения молодыми людьми навыков профессиональной трудовой и управленческой деятельности, содействия развитию студентов как личностей и процессам трудовой и социальной адаптации молодежи. Приоритеты деятельности студенческих отрядов определяются насущными задачами развития общества на каждом его этапе. Для современного периода таким приоритетом является деятельность педагогических отрядов и отрядов спасателей. Сейчас студенческие строительные отряды принимают участие в реализации национальных проектов «Доступное жилье», «Развитие АПК», в программах «Росатома», строительстве российских железных дорог. Молодежь трудится на строительных объектах

Олимпиады в Сочи, на Ямале. Главное, что наконец-то начинают свое новое развитие студенческие отряды. И не важно, что их пока не очень много, и задействованы студенты не там, где хотелось бы. Студотряд как форма общественного

самоуправления учащихся и вид молодежного трудового коллектива оправдали себя в полной мере, обеспечивая формирование разносторонней личности будущего специалиста, ответственного за свои поступки и владеющего навыками, хозяйственной и управленческой деятельности.

9 июля 2003 года, в Москве состоялась заседание Правительственной комиссии по делам молодѐжи «О государственной поддержке студенчества и студенческих отрядов», на котором был создан Межведомственный координационный совет под председательством, заместителя министра Министерства образования России Юрия Коврижных.

С 27 по 28 ноября 2003 года, в Екатеринбурге прошел первый Всероссийский слѐт Российских студенческих отрядов.

6 сентября 2007 года губернатор Красноярского края Александр Хлопонин открыл молодѐжный лагерь «ТИМ Бирюса», на котором прошел Всероссийский слѐт «Российских студенческих отрядов», с этого времени лагерь стал ежегодной летней образовательной площадкой для РСО.

Вапреле 2009 году «Российские студенческие отряды» совместно с партийным движением «Молодая гвардия Единой России» запустили совместный проект «Яростный стройотряд» для участия студентов, в строительстве объектов зимних Олимпийских игр Сочи 2014. Проект не имел всеохватывающий характер в Молодой гвардии, ряд местных отделений из-за отсутствия средств, не участвовали в проекте. Некоторые отделения МГЕР ограничились реализацией проекта в рамках своего региона.

В2009 году, в студенческих отрядах приняло участие 230 тысяч человек, что не сравнимо меньше чем в СССР 900 тысяч.

7 апреля 2012 года, в Астрахани в САФУ состоялся общероссийский слѐт комиссаров региональных штабов РСО, на котором были внесены поправки к деятельности РСО на местах.

ВРФ форма молодежного самоуправления - студенческие строительные отряды успешно развивается.

Литература

1.История РСО. СПб., 2004

2.ССО: стройка, студенты, отряд. http//:mgshmso.ru

95

УДК 621.396

УКВ КОЛЬЦЕВАЯ АНТЕННА ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Аспирант кафедры РЭУС Зотов Владислав Евгеньевич Руководитель: д-р техн. наук, Юдин В.И.

Анализируются результаты экспериментальных данных, полученных при испытании низкопрофильных кольцевых УКВ антенн. Проводится последовательная модернизация кольцевых антенн с получением характеристик не значительно хуже характеристик четырехметрового штыря. Измерены диаграммы направленности антенн в реальных полевых условиях, приведены основные параметры антенн

1. Кольцевая антенна Бойера

Первое упоминание об антенне кольцевого типа содержится в статье Бойера [1]. Автор статьи приводит результаты экспериментальной проверки работы нового типа антенны, которой он собирался заменить четвертьволновый штырь.

Как сообщалось, новая антенна представляет собой проводник круглого сечения (1), согнутый в кольцо, рис 1. Кольцо устанавливалось с помощью изоляторов (3) над металлизированной землей (2) на высоте h. Периметр кольца был равен длине который оно заменяет, т.е. λ0/4, высота подвеса над экраном составляла 0,006 λ0 0 длинна резонансной волны). Один конец кольца в точке А соединялся с землей посредством металлического проводника (4), другой конец, т.е. Е, нагружался на переменную емкость Сн. Возбуждение антенны осуществлялось в точке В подсоединением центральной жилы коаксиального кабеля (5).

Рис. 1 Кольцевая антенна по схеме Бойера

Эксперимент показал, что такая антенна имеет почти круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости, однако коэффициент усиления ее ниже, чем у штыря λ0/4 на 3 дБ.

С понижением частоты коэффициент усиления (К.У.) постепенно падает, и при значении

усиление кольцевой антенны на 10 дБ хуже чем у λ0/4 - штыря. Настройка кольца в резонанс осуществлялась с помощью вакуумного конденсатора Сн. Этим конденсатором и подбором точки включения питающего кабеля автору удается перекрыть двукратный частотный диапазон при КСВ не хуже 2.

Новая антенна сразу привлекла внимание специалистов. Однако, до последнего времени не было определенного мнения в отношении принципа работы антенны. Высказывания специалистов чаще

склонялись к тому, что излучаемое кольцевой антенной электромагнитное поле есть сумма полей двух источников: поля вертикального штырька – закоротки, по которому протекает большой ток, и поля, обусловленного круговым изгибом проводника. Причем, в отношении второго источника излучения мнения расходились: если одни заявляли об излучении щели, образованной кольцом и его «зеркальным» отражением в экране, то другие склонялись к излучения высших типов волн, возбуждаемых на изгибе, как на непрерывно распределенной неоднородности.

Ясность в этот вопрос внесла статья Буртона и Кинга [2]. Авторы привели данные входного сопротивления и сопротивления излучения кольцевой антенны и сравнили их с соответствующими параметрами прямолинейного горизонтального проводника. Кольцевая антенна рассматривалась Буртоном и Кингом как разновидность рамочной антенны, Показано, что распределение тока по разомкнутой антенне, расположенной над плоским экраном на высоте h<<λ0 и ее входное сопротивление незначительно отличается от соответствующих характеристик антенны в виде прямого проводника аналогичной длины.

До тех пор, пока выполняется условие h<<λ0 , кривизна проводника оказывает малое влияние на характеристики антенны. Кроме этого, в статье Буртона и Кинга приводятся данные, показывающие, что ввиду малости h поверхностные токи, наведенные на экране, ограничиваются областью, края которой отстоят на 10h от проекции проводника на плоскость.

Действительно, ввиду больших размеров кольца в горизонтальной плоскости, токи, наведенные его полем на металлическом экране, охватывают значительную площадь. Если экран не плоский, а выпуклый, наведенные токи будут иметь на его отвесных стенках вертикальные проекции и, очевидно, примут участие в излучении. Чем больше плотность токов, возбуждаемых на отвесных стенках, тем ощутимее их вклад в общее излучение.

Приведенные рассуждения легли в основу поиска более эффективных вариантов построения маловыступающей и желательно широкодиапазонной УКВ антенны кольцевого типа. Были предложены варианты полуволновой

96

замкнутой кольцевой антенны, двухэлементной кольцевой антенны, и, наконец, кольцевой антенны с фазированием токов по периметру.

Экспериментальное исследование проведено с антеннами, установленными на крыше микроавтобуса, используемого в системе скорой медицинской помощи, полиции, в пожарной службе и т.п.

2. Влияние выпуклой поверхности экрана на эффективность кольцевой антенны.

Для проверки степени повышения эффективности кольцевой антенны при расположении ее над выпуклой поверхностью, имеющей отвесные стенки, были проведены испытания этой антенны на макете, изображенном на рис 2.

Как видно, входное сопротивление, равное 75 Ом, имеет место при АВ ≈ 4см. Если представить эквивалентную схему кольцевой антенны в виде длинной линии, замкнутой на одном конце и разомкнутую на другом, то входное сопротивление в точке подключения генератора определится, как параллельное сопротивление двух участков длинной линии.

Рис. 4 Эквивалентная схема и распределение тока вдоль антенны

Рис. 2 Внешний вид макета с установленной антенной Бойера

Антенне Бойера придавалась форма разомкнутого кольца, выполненного из латунной трубки диаметром d = 8 мм и имеющего периметр

,где - длина волны,

соответствующая верхней частоте диапазона 30-60 МГц. Кольцо устанавливалось на высоте h = 50 мм над верхней плоскостью выпуклого элемента объекта высотой 30см с помощью диэлектрических изоляторов [3] [4]. Положение места подключения питающего кабеля выбиралось экспериментально. С этой целью изучалась зависимость резонансного сопротивления от длины отрезка АВ. Полученная зависимость приведена на рис. 3.

Рис. 3 Входное сопротивление кольцевой антенны, настроенной в резонанс, в зависимости от

места запитки

Из рисунка видно, что так как длина замкнутого участка намного меньше разомкнутого, реактивное входное сопротивление его в рабочей полосе частот 30÷60 МГц изменяется весьма слабо. Поэтому вполне понятно, что с помощью нагрузочной емкости на конце разомкнутого участка нетрудно поддерживать антенну в резонансе,

, если величину емкости изменять в соответствии с изменением частоты.

Параллельная емкость на конце разомкнутой длинной линии эквивалентна удлинению последней на отрезок:

(1)

где .

Так как на любой частоте электрическая длина

кольца должна быть равна

, т.е.

(2)

отсюда нетрудно получить, что величина нагрузочной емкости должна изменяться по закону:

(3)

где - длина волны соответствующая верхней частоте диапазона (),

Экспериментальная зависимость от частоты показана на рис. 5. Там же приведена кривая КБВ антенны в рабочей полосе. Минимальное значение КБВ, равное 0.8, имеет место на частоте 42 МГц.

Для определения эффективности введения выпуклой поверхности измерялся коэффициент усиления антенны в сравнении со штырем длиной

0.625, установленным посередине той же модели. Полученные зависимости представлены на рис. 6.

97

Рис. 5 Изменение КБВ и настроечной емкости по диапазону

Рис. 6 КУ: а) антенны Бойера над плоским экраном (кривая 1) б) антенны Бойера над выпуклым экраном (кривая 2), в) замкнутой кольцевой антенны над выпуклым экраном (кривая 3),

Коэффициент усиления (кривая 2) возрос по сравнению с замерами над плоским экраном (кривая 1). Это подтверждает правильность предположения об участии в излучении вертикальных проекций наведенных токов.

Однако диаграмма направленности в горизонтальной плоскости ухудшилась (рис. 7), что объясняется неравномерным распределением плотности наведенных токов на боковых стенках макета, и несимметричным расположением антенны на крыше макета.

Рис. 7 Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, измеренные на частоте f

= 60 МГц

Таким образом, использование стекающих по боковым стенкам выпуклой поверхности токов проводимости позволяет при правильном

размещении и подключении кольцевой антенны значительно повысить коэффициент усиления. Однако неравномерное распределение по стенкам наведенных токов заметно искажает диаграмму направленности антенны.

Можно сделать вывод о том, что использование выпуклой поверхности на экране позволяет улучшить КУ антенны Бойера при некотором ухудшении диаграммы направленности.

Для более интенсивного возбуждения отвесных стенок макета желательно приблизить края антенны к кромке верхней части выпуклого объекта. С этой целью был предложен и экспериментально проверен вариант замкнутой кольцевой антенны, изображенной на рис. 8.

3. Замкнутая кольцевая антенна.

Замкнутая кольцевая антенна представляет собой две антенны Бойера, включенные параллельно. При этом короткозамкнутый участок выполнен в виде общего для обеих половин звена, имеющего индуктивный характер входного сопротивления. Благодаря такой системе построения, удалось вдвое увеличить диаметр кольцевой антенны и тем самым приблизить периметр кольца к верхней кромке макета. Учитывая, что свободные концы каждой половины кольца находятся под одинаковым потенциалом относительно экрана, они были соединены между собой [4].

Таким образом, получилось замкнутое кольцо, запитанное в одной точке и нагруженное на переменную емкость в точке, диаметрально противоположной точке питания (рис. 8). Кольцевая антенна имеет форму замкнутого кольца, изготовленного из латунной трубки с внешним

диаметром d = 8 мм и периметром L=λmin⁄2 , где λmin- длина волны, соответствующая верхней частоте

диапазона 30-60 МГц. Кольцо устанавливалось на высоте h = 50 мм над металлическим листом с помощью диэлектрических изоляторов. Квадратный металлический лист, имел размеры 1,5 м х 1,5 м.

Рис. 8 Внешний вид замкнутой кольцевой антенны с емкостной перестройкой по частоте.

В диапазоне 30-60 МГц коэффициент усиления замкнутой кольцевой антенны изменялся, монотонно возрастая с частотой, от минимального значения ~ 0.18 до максимального значения ~ 2

(). 98

3.1Испытания замкнутой кольцевой штырю в эффективности, рассмотренная антенна

антенны на мобильном объекте.

Испытания на макете мобильного объекта были проведены с замкнутой кольцевой антенной, имеющей следующие геометрические размеры:

L=200 см d= 2 см h= 12 см

Антенна была расположена по контуру кромки крыши объекта. Для настройки применялся воздушный конденсатор переменной емкости, подключенный противоположно точке включения коаксиального кабеля.

Основная цель испытаний была: проверить качество связи между двумя подвижными объектами, оборудованными замкнутыми кольцевыми антеннами указанных размеров, а также произвести измерение диаграмм направленности в горизонтальной плоскости. При измерениях антенна работала от радиостанции. Результаты испытаний на дальность связи при оценке качества связи на стоянках приведены в таблице 1.

Таблица 1- Качество радиосвязи при использовании штыревой и кольцевой антенн

 

 

31 МГц

44 МГц

59,5

МГц

часто

 

 

 

 

 

 

 

та

 

 

«кольцо

штыр

«кольцо

штыр

«кольц

 

штырь

 

»

ь

»

ь

о»

 

 

 

альн.

 

 

 

 

 

 

 

км

отл.

 

отл.

отл.

отл.

отл.

отл.

 

 

 

 

 

 

 

км

отл.

 

отл.

отл.

отл.

отл.

отл.

 

 

 

 

 

 

 

км

отл.

 

отл.

отл.

отл.

отл.

отл.

 

 

 

 

 

 

 

км

отл.

 

отл.

отл.

отл.

отл.

отл.

 

 

 

 

 

 

 

0км

отл.

 

хор.

отл.

хор.

отл.

отл.

 

 

 

 

 

 

 

3км

отл.

 

удовл.

отл.

хор.

отл.

хор.

 

 

 

 

 

 

 

5км

отл.

 

удовл.

отл.

удовл.

отл.

хор.

 

 

 

 

 

 

 

Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости, измеренные на частотах 32 МГц, 44 МГц, 56 МГц, приведена на рис. 9-11. Для сравнения приведены диаграммы направленности 4- х метрового штыря стандартно установленного на объекте в качестве приемопередающей антенны.

Диаграммы направленности антенн имеют близкую к круговой форму и довольно сильно различаются только на нижних частотах диапазона, это объясняется тем, что антенна была рассчитана на более высокую частоту УКВ диапазона.

Как и в случае горизонтальной плоскости, диаграммы направленности кольцевой антенны слабо отличаются от соответствующих диаграмм четырехметрового штыря.

На основании приведенных выше результатов экспериментальных исследований основных параметров замкнутой кольцевой антенны можно сделать вывод о возможности разработки на ее основе маловыступающей антенны для мобильных объектов. Проигрывая несколько четырехметровому

обладает неоспоримыми преимуществами с механической и конструктивной точки зрения. Кольцевая антенна не требует для своей работы специального согласующего устройства. Применение обтекателя из радиопрозрачного материала позволит скрыть кольцевую антенну и придать всей конструкции эстетический вид.

Рис. 9 Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на частоте 32 МГц

Рис. 10 Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на частоте 44 МГц

Рис. 11 Диаграммы направленности в горизонтальной плоскости на частоте 56 МГц

99

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]