Нерегулярные четырехполюсники или длинные линии

РЕФЕРАТ

Дипломная работа содержит 104 листа, 6 таблиц, 35 рисунков. Тема:
«Разработка программ для расчета на ЭВМ характеристик устройств на нерегулярно включенных линиях передачи». Цель работы: разработка программного обеспечения на основе формул нерегулярных четырехполюсников.

Данная дипломная работа посвящена проблемам разработки и внедрения устройств связи высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазона. В ней дается описание видов нерегулярных четырехполюсников, их характеристик и способов соединения, а также расчетных уравнений и формул.

В работе предлагается разработка программного обеспечения для расчета характеристик нерегулярных четырехполюсников на основе отрезков линий.
Затраты на разработку составят 17.3 тыс. руб. Программа позволяет облегчить труд разработчиков и сократить время разработки устройств.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 6

1. Технико-экономическое обоснование решаемой задачи 8

2. Теория нерегулярно-включенных линий (НВЛ) 13

2.1. Закономерности миниатюризации 16

2.2. Направления миниатюризации 17

2.3. Принципы оптимального синтеза 19

2.4. Классификация 22

2.5. Основные соотношения 25

2.6. Соединения четырехполюсников 28

2.7. Однородная длинная линия 33

2.8. Замыкание полюсов отрезка линии по диагонали 36

2.9. Замыкание полюсов отрезка линии по горизонтали 41

2.10. Замыкание полюсов отрезка линии по диагонали с одновременной изоляцией одного из них 46

2.11. Изоляция одного полюса линии 50

3. Алгоритмы расчета характеристик НВЛ 53

3.1. Блок-схема программы и ее описание 54

4. Результаты расчета НВЛ 57

5. Экономическая часть 62

Заключение 66

Список литературы 67

Введение

Сегодняшний день заставляет не по дням, а по часам совершенствовать технологии, связанные с разными отраслями науки и техники. Это влечет за собой применение новейших результатов исследований.

Многие из этих отраслей, в данном случае, разного рода системы связи, телекоммуникации и спутниковая связь, постоянно испытывают необходимость развития, которое тесно связано с принципиально важной тенденцией - миниатюризацией устройств и систем, применяемых в этой области. Эта тенденция в полной мере проявляется в радиотехнических устройствах, эффективность которых обеспечивается сочетанием миниатюрности и оптимального синтеза, что и является основополагающим моментом при их приобретении и использовании. Чем меньше, функциональнее и надежнее устройство, тем более оно жизнеспособно и пользуется чрезвычайно высоким спросом на всемирном рынке телекоммуникаций и различных устройств связи, где отнюдь не последнее место занимают Российские разработки.

От выхода Российских разработок на мировой рынок зависит судьба многих людей, которые тесно связаны с разработкой, внедрением и применением устройств связи высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазона.

Далеко не последнее место в списке заказчиков устройств связи такого рода занимают Российские Железные Дороги. Пожалуй, ни где как на железных дорогах применяется такое большое количество устройств связи. Это количество постоянно растет и эта проблема, связанная с перегрузкой проводных средств связи, заставляет задуматься о применении средств радиосвязи. Как известно частотный диапазон средств радиосвязи очень сильно перегружен и приходится изыскивать новые диапазоны частот, а они, в основном, лежат сейчас в высокочастотной и сверхвысокочастотной области частотного диапазона.

Основной проблемой при разработке устройств такого рода является согласование каскадов внутри них и с другими частями этих устройств. В роли элементов согласования могут выступать миниатюрные нерегулярно включенные четырехполюсники, которые как никакие другие элементы подходят на эту роль.

В данной работе рассматриваются новые методы синтеза миниатюрных устройств высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазонов, выполненных на отрезках двухпроводных, ленточных микрополосковых и коаксиальных линий и способы расчета их входных и выходных характеристик на компьютере.

Рассмотрено направление миниатюризации таких устройств путем уменьшения габаритных размеров посредством применения нерегулярно включенных линий (НВЛ) с сильной магнитной связью между проводами. Эти НВЛ включают в цепь таким образом, чтобы влияние на нее «земли» было незначительным.

Синтез устройств, содержащих НВЛ, требует адекватного физико- математического описания. В данной работе эти описания приводят к следующим новым результатам: а) впервые осуществлен синтез миниатюрных устройств на
НВЛ, сильная магнитная связь реализуется без магнитопровода; б) предложенная математическая модель устройств на НВЛ охватывает неограниченный диапазон частот; синтез выполняется в рамках одной модели.
Эти результаты отличают данный метод синтеза устройств на НВЛ от методов, известных ранее.

Технико-экономическое обоснование решаемой задачи

В настоящее время все более возрастает применение на железнодорожном транспорте радиопередающих и радиоприемных устройств с самыми разнообразными и многочисленными характеристиками. В это число входят приемники и передатчики высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазона.

При конструировании и использовании такого типа устройств у разработчика в ходе его работы возникает ряд проблем и трудностей. В данной дипломной работе рассматривается одна из них.

Как в любой сложной радиоэлектронной аппаратуре, каковой являются высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) приемники и передатчики, существует такая проблема, как согласование входных и выходных сопротивлений каскадов, трактов и просто элементов этих устройств.

Условием максимальной передачи мощности являются равенства:

Zг = Zн , (1.1)
Zг = Rг + jXг , (1.2)

Zн = Rн + jXн , (1.3)

Rг + jXг = Rн + jXн, (1.4) где Zг - комплексное сопротивление генератора, Ом;

Zн - комплексное сопротивление нагрузки, Ом;

Rг - реальная часть сопротивления генератора, Ом; jXг - мнимая часть сопротивления генератора, Ом;

Rн - реальная часть сопротивления нагрузки, Ом; jXн - мнимая часть сопротивления нагрузки, Ом.

Именно здесь начинает проявляться специфика согласовывающих элементов, которые характерны для ВЧ и СВЧ приемопередающих устройств. В качестве таких элементов используют так называемые трансформаторы сопротивлений, в качестве которых применяются линии, включенные различным образом или нерегулярные четырехполюсники (четырехполюсники, у которых различны входные токи).

Здесь возникает проблема математического анализа с помощью формул, описывающих их функции и свойства.

Расчет таких громоздких формул – очень сложная задача. Именно этот фактор и является самой главной причиной, по которой целесообразно переложить этот расчет на компьютер. И еще это целесообразно из-за вычисления матриц и комплексных чисел, что является очень трудоемкой задачей, если учесть что это делается вручную. Следовательно, возникает задача запрограммировать этот расчет.

Эта задача может быть реализована на любом языке программирования.
Здесь, в частности, представляется вариант программы, разработанный в среде программирования "Delphi" с использованием его библиотек и состоит в следующем.

По некоторым входным характеристикам этих четырехполюсников и запрограммированным формулам в виде матриц, каждая из которых соответствует какой-то одной, строго определенной схеме четырехполюсника, рассчитывается характеристическая (общая, результирующая) матрица их соединения по парам, с различной конфигурацией этого соединения или одиночной схемы четырехполюсника.

После этого по полученной матрице рассчитывается рабочее затухание, входное и выходное сопротивление полученной схемы соединения в заданном диапазоне частот от нижнего до верхнего пределов и строятся графики перечисленных зависимостей.

Решение поставленной задачи может выглядеть следующим образом.

Сначала необходимо запрограммировать формулы в матрицах, в качестве которых будут использованы массивы, соответствующие своим четырехполюсникам. Далее следует обеспечить ввод всех численных величин, используемых в формулах, и после этого запрограммировать выбор:

1) тип первого четырехполюсника;

2) если их два, то тип второго четырехполюсника;

3) схема соединения двух четырехполюсников, в соответствии, с которой программируются формулы для вычисления результирующей матрицы.

Во всех массивах при вычислении и программировании формул нужно учесть все реальные и мнимые части комплексных чисел и особенности их вычисления. Для этого следует разбить комплексное число и создать отдельно массивы реальных частей и отдельно массивы мнимых частей.

Далее по полученной результирующей матрице вычисляем рабочее затухание, входное и выходное сопротивления, создаем отдельное окно отчета, в которое записываем результаты для последующего просмотра, сохранения или распечатки.

Используя программный построитель графиков, получаем эти зависимости в заданном диапазоне частот, различая их разным цветом.

Данная задача, выполненная технически грамотно, может стать программой, которую так ждали все те, кто связан с разработкой, реализацией и внедрением устройств радиоприема и радиопередачи высоко- и сверхвысокочастотного диапазона.

Это особенно актуально сейчас, когда развитие науки и техники приобретает особенно важное значение для развития любого производства.
Развитие рыночных отношений в нашей стране способствует ускорению темпов научно-технического прогресса (НТП), поскольку это ведет к совершенствованию технологического процесса производства, уменьшению затрат, улучшению условий труда работников, нормализации экологической ситуации и т. д. Под научно-техническим прогрессом понимается непрерывное совершенствование производительных сил на базе использования достижений науки и техники в целях повышения эффективности общественного производства и решения социальных и экономических задач общества.

Надо иметь в виду, что транспорт не создатель, а потребитель техники.
НТП проявляется в данном случае в использовании в транспортном процессе новой техники, поставляемой промышленностью. Использование качественной техники и постоянное ее обновление чрезвычайно важно на железнодорожном транспорте, т. к. от этого непосредственно зависит качество, надежность, безопасность работы и движения поездов. Эффект от использования новой техники, помимо улучшения финансовых показателей, может выражаться в сокращении численности работников, облегчении их труда, снижении расхода материалов, топлива, электроэнергии. Но чтобы использовать новую технику, ее необходимо купить. Поэтому важно, чтобы цена на новую технику была такой, чтобы могла заинтересовать производителей в выпуске, а потребителей
– в ее приобретении и применении. Реальные цифры внедрения новой программы указаны в экономической части пояснительной записки.

Разработка приемопередатчиков высокочастотного и сверхвысокочастотного диапазона на основе миниатюрных трансформаторов сопротивления, которые иначе называются нерегулярными четырехполюсниками или нерегулярно-включенными линиями, является важным мероприятием железных дорог. Они, при использовании в определенных устройствах, позволяют достигнуть высоких скоростей доставки информации, увеличивает радиус действия информационных сигналов и оставляют эти устройства миниатюрными.
Это приводит к ускорению получения оперативных данных, в частности по информации о местонахождении вагонов, поездов, о состоянии груза, его качественных характеристиках и конечном пункте назначения. Также скорость передачи информации важна в путевом хозяйстве и в хозяйстве сигнализации и связи, например, информация о состоянии пути и стрелочных переводов, так как быстрое сообщение об обнаруженных неисправностях может не допустить аварийных ситуаций и ускорить ремонтные работы по ликвидации этой неисправности.

Но, как уже говорилось ранее, разработка и внедрение устройств на основе нерегулярных четырехполюсников должны быть достаточно недорогими, чтобы окупиться в короткий период времени. Для разработки устройств на основе нерегулярных четырехполюсников необходим большой штат работников и много времени, так как это долгая и кропотливая работа. Поэтому непосредственно в стоимость разработки будут включены помимо затрат материальных, энергетических, амортизационных еще и расходы на оплату труда разработчиков и все связанные с ними отчисления в бюджетные и внебюджетные органы. Чем больше период разработки, тем, естественно, больше затрат по элементу «фонд оплаты труда». В итоге разработка устройств на основе нерегулярных четырехполюсников представляется достаточно дорогостоящим и неэффективным мероприятием. Внедрение представленной в дипломе программы расчета характеристик нерегулярных четырехполюсников позволит в несколько раз сократить стоимость разработки за счет сокращения затрат времени и численности работников.

Теория нерегулярно-включенных линий (НВЛ)

Термином четырехполюсник обозначают электрическую цепь, которая может соединяться и взаимодействовать с другими цепями только в четырех точках, называемых полюсами. Сумма токов в полюсах всегда равна нулю.

Если при включении четырехполюсника в цепь токи в его полюсах оказываются разными, то соответствующий способ включения называют нерегулярным, а четырехполюсник — 4х1 - полюсником ; он изображается символом, приведенным на рис. 2.1. Если же при включении четырехполюсника в цепь токи в его полюсах попарно равны, но противоположны по направлению, то включение называют регулярным, а четырехполюсник — 2х2 - полюсником; его изображают символом, приведенным на рис. 2.2. Стрелками показаны направления токов, которые считаются положительными. Энергия входит в одну пару полюсов, называемых входными, и выходит через другую пару полюсов, называемых выходными.

Если во внутренней цепи 2х2 - полюсника можно выделить 4х1 - полюсник, то такой 2х2 - полюсник называют 2х2 - полюсной подсхемой 4х1 - полюсника. Это понятие иллюстрируется на рис. В.З: внешняя цепь N' заштрихована; 4х1 - полюсник обозначен через N. Здесь N реализуют в виде отрезка НВЛ; в нем пара полюсов короткозамкнута либо по диагонали, либо по горизонтали, либо один полюс изолирован от внешней цепи (рис. 2.4).
Возможны также сочетания этих приемов. Токи, указанные на рисунке, иллюстрируют регулярность включения цепи в целом и нерегулярность включения ее внутренней части N.

Символ 4х1 - полюсника

[pic]

Рис. 2.1

Символ 2х2 - полюсника

[pic]

Рис. 2.2

2х2 - полюсная подсхема 4х1 - полюсника

[pic]

N - 4х1 - полюсник, N' - внешняя 2х2 - полюсная цепь

Рис. 2.3

2х2 - полюсные подсхемы на НВЛ являются, как правило, функциональными устройствами, поэтому для краткости назовем их устройствами на НВЛ.
Необходимым атрибутом такого устройства является сильная магнитная связь между проводами НВЛ, обеспечивающая его миниатюрность и широкополосность.
Эти замечательные свойства устройств на НВЛ, на которое обратили внимание в
50-е годы, в дальнейшем интенсивно исследовались; значительное внимание уделялось автотрансформаторам типа длинной линии .

Операции с полюсами четырехполюсника

[pic][pic] а - замыкание по диагонали; б - замыкание по горизонтали; в - изоляция одного полюса.

Рис. 2.4

Недостатком этих исследований является отсутствие результатов по синтезу фильтров на НВЛ, а также единообразной математической модели в разных частотных интервалах. В данном дипломном проекте эти недостатки в определенной мере устранены.

1 Закономерности миниатюризации

Конструктивные, технологические и эксплуатационные преимущества миниатюрных радиотехнических устройств сопровождаются увеличением диссипативных потерь в них обратно пропорционально полосе пропускания и объему. Таким образом, в миниатюрных устройствах необходимо серьезно считаться с ухудшением собственной добротности элементов; в крупногабаритных устройствах такой необходимости нет. В результате оценивать качество миниатюрных устройств следует с учетом связей между основными параметрами.

Рассмотрим один из таких методов, в котором габаритные размеры устройства рассматривают не обособленно, а системно— в сочетании с другими параметрами устройства. В итоге формируется показатель качества (ПК) устройства; если ПК достигает определенного уровня, то миниатюризация считается успешной. В этой процедуре учитывают следующие параметры: объем устройства (v, см3), минимальное значение диссипативных потерь в полосе пропускания (Aо, дБ), полоса пропускания ((f/fo) 100%, число включенных звеньев п. Коэффициент, образованный сочетанием этих параметров

[pic] , (2.1)

называют габаритным индексом потерь. Он зависит от частоты, и эта зависимость линейна. Используя линейность, получаем из

[pic] , (2.2)

Как показывает опыт, при ПК>3 миниатюризация устройства неудачна, не использованы в достаточной мере структурные, конструктивные и технологические резервы, которые могли бы компенсировать неблагоприятный характер связей между объемом устройства, его диссипативными потерями и полосой пропускания.

При ПК[pic] миниатюризация тривиальна, т. е. потери в устройстве увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько уменьшился его объем
(если полоса пропускания фиксирована).

При ПК