маг. инж. Климент Николаев Ангелов ЗАЩИТА …konkursi-as.tu-sofia.bg/doks/SF_FTK/ns/127/avtoreferat.pdf4 се внедри в индустриални

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ - СОФИЯ

ФАКУЛТЕТ ПО ТЕЛЕКОМУНИКАЦИИ

КАТЕДРА РАДИОКОМУНИКАЦИИ И ВИДЕОТЕХНОЛОГИИ

маг. инж. Климент Николаев Ангелов

ЗАЩИТА НА РАДИОКОМУНИКАЦИОННА

АПАРАТУРА ОТ ВИСОКОВОЛТОВИ ИМПУЛСНИ

СМУЩЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

на дисертация

за получаване на образователната и научна степен “доктор”,

област на висше образование - 5. Технически науки,

професионално направление - 5.3. Комуникационна и компютърна техника,

специалност - Електродинамика и антенно-фидерни устройства

Рецензенти

проф. д.т.н. инж. Ервин Стефанов Фердинандов

проф. д-р инж. Добри Михайлов Добрев

Научен ръководител:

доц. д-р инж. Емил Савов Алтимирски

СОФИЯ, 2013

2

Дисертационният труд е разгледан и насочен за защита пред научно жури на

заседание на катедра Радиокомуникации и видеотехнологии (РКВТ) към

Факултета по телекомуникации (ФТК) на Техническия университет (ТУ) –

София, състояло се на 12.06.2013 г. Докторантът работи като асистент в същата

катедра.

Защитата ще се състои на 8.10.2013 г. от 1730

часа в зала 1435, блок 1 на

Техническия университет - София. Материалите по защитата се намират в

канцеларията на Факултета по телекомуникации, зала 1254.

© Ангелов,К.Н., Защита на радиокомуникационна апаратура от високоволтови

импулсни смущения, Технически университет – София, 2013. (тираж 50 броя)

3

І. ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

Актуалност на проблема

Създаването на надеждно работещи комуникационни системи е от

изключителна важност в условията на съвременните бързоразвиващи се

решения за обмен на информация. В огромната си част тези системи са

базирани върху устройства, които използват електромагнитна енергия като

носител на тази информация. Дефинират се понятия като генериране,

предаване, приемане, излъчване, модулиране и други действия, които се

извършват с тези информационни сигнали в съответните модули на

комуникационните апаратури с цел те да се обработят по определен начин.

Освен процесите, свързани с целенасоченото и точно определено действие

с електромагнитните сигнали, са налице и неопределени въздействия,

създадени от различни изкуствени и естествени източници на електромагнитни

излъчвания. Те могат да предизвикат грешка в предаваната информация,

объркване в алгоритмите за обработването й, или - в най-тежкия случай –

физическа повреда на апаратурата.

Цел и задачи на дисертационния труд

Целта на настоящия дисертационен труд е да се създадат усъвършенствани

устройства за защита на радиокомуникационна апаратура от електростатични

разряди и последствия от попадения на мълнии, предназначени за

нискочестотни обхвати (МВ), както и за повече от една работна честотна лента.

За постигането на дефинираната по-горе цел са решени следните задачи:

1. Да се изследва възможността за използване на различни математически

модели за изследване и оптимизиране на устройства за защита на

радиокомуникационна апаратура от електростатични разряди и попадения от

мълнии, от гледната точка на отразяването на стохастичния характер на тези

явления в природата и да се анализират получените резултати.

2. Да се създаде методика, основаваща се на избран математически модел,

произтичащ от постигнатите резултати при изпълнението на задача 1, като се

направят изследвания за установяване на възможността за използването на

различни видове конвенционални фидери при отчитане на техните реални

параметри при създаването на защитни устройства за антенни входове на

системи, работещи в по-ниски честотни обхвати (метровълновия обхват).

3. Да се създаде методика, основаваща се на избран математически модел,

произтичащ от постигнатите резултати при изпълнението на задача 1, като се

направят изследвания за установяване на възможността за създаването на

защитни устройства за антенни входове, които да работят едновременно на

няколко работни честоти.

4. Да се създадат прототипи на защитни устройства с оптимизирани

параметри, според задача 2 и задача 3, които да бъдат изследвани в

лабораторни условия.

5. Да се създаде реална, пазарно приложима конструкция, на защитните

устройства за защита на антенни входове с оптимизирани параметри, която да

4

се внедри в индустриални условия и се направи изпитване на надеждност, както

и да се направи технико-икономическа оценка за нейната ефективност.

6. Да се направят заявки за защита пред българското Патентно ведомство

на устройства за защита на антенни входове, реализирани в аспекта на

поставените по-горе задачи с оптимизирани конструкция и параметри на реално

залаганите елементи.

Методологична основа

В дисертационната работа се използва активно софтуерната среда на

MatLab, теоретичните научни основи в областта на телекомуникационната

наука и технологии, теорията на планирания експеримент, математическата

статистика, лабораторната база на катедра РКВТ, производствената база на

редица наши предприятия-потребители на телекомуникационни услуги и др.

Научна новост

Според мнението на автора при разработването на дисертационния труд са

постигнати определен брой приноси: един научен, два научно-приложни и пет

приложни, описани в края на настоящия автореферат.

Приложимост и полезност

По време на разработването на дисертационния труд са реализирани

внедрявания на крайни пазарни продукти, проектирани и изработени за

нуждите на 13 български предприятия. В условията на специализираното в

областта на телекомуникациите предприятие „Мобилтел“ ЕАД са направени

успешни експерименти, предполагащи следващо сътрудничество.

Апробация

Части от дисертационната работа са докладвани и са били обект на

обсъждания в научни конференции, провели се в ТУ - Габрово (UNITECH), в

ТУ - София, филиал Пловдив (ТЕХСИС), във Велико Търново и в Охрид,

Македония (ICEST).

Публикации

Във връзка с разработването на дисертацията са направени общо седем

публикации. От тях 4 са самостоятелни, 3 са в съавторство и с първи автор –

авторът на настоящата дисертация. Пет публикации са на български език и две

– на английски. Две от публикациите са защитени пред българското Патентно

ведомство като патенти за регистрация на свидетелства за полезни модели.

Обем и структура на дисертационния труд

Дисертационният труд е с обем от 155 стр. и 3 приложения. Работата е

развита в 4 глави и общо 8 раздела. В края на работата са поместени списъци с

постигнатите според автора приноси, списък с публикациите по дисертацията и

списък с обем от 82 заглавия, използвани при разработването на дисертацията.

В основната част от разработката са намерили място общо 101 фигури и 31

таблици. Създадените авторски кодове за компютърни програми са в обем от 53

броя, като една част от тях са поставени в отделно приложение.

5

ІІ. КРАТКО ОПИСАНИЕ НА ОТДЕЛНИТЕ РАЗДЕЛИ В

ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД

ГЛАВА ПЪРВА. Обзор по темата дисертацията.

Обзорът по дисертацията е структуриран в три дяла. Първият обхваща част

от известните в момента конструкции на защитни устройства, предлагани на

пазара. На фиг.1 са показани част от множеството конструктивни решения.

Номерацията на фигурите тук не съвпада с тази в текста на дисертацията.

Фиг. 1. Устройства, предназначени за защита на различните видове електронна апаратура

от електростатични разряди и последствия от попадения на мълнии.

В зависимост от потенциалния път на опасните влияния, тези устройства

могат да бъдат предназначени за защита от проникването им през мрежовото

захранване, през телефонна линия, през мрежови (напр. LAN), през различни

ВЧ и/или антенни кабели и др. На пазара могат да бъдат намерени редица

устройства за защита на високочестотни фидери във вид на коаксиални кабели.

Например Wenzhou Chuangjie Lightning Protection Electrical Co. Ltd. предлага

свои изделия, които се различават по вълновото съпротивление на коаксиалния

кабел, за който са предназначени, вида на конекторите, максималната стойност

на отвеждания ток и честотния им обхват.

Вторият дял от обзора е посветен на патентно защитените устройства,

предназначени за защита на различните видове електронна апаратура от

електростатични разряди и последствия от попадения на мълнии. На фиг.2 са

позазани някои характерни решения. При някои от тях (US 6236551 и US

6636407) се наблюдават възможности за фино настройване на параметрите на

устройствата.

Cirprotec Schrack

Schurter Electronic Components

Wenzhou Wendzhou

Wendzhou

Spiner

Spiner

Spiner TERACOM

6

Третият дял от обзора обхваща част от намерените резултати от проведени

изследвания, отнасящи се до устройства, предназначени за защита на

различните видове електронна апаратура от електростатични разряди и

последствия от попадения на мълнии. На фиг. 3 са показани някои от тези

резултати.

US 7397646

US 6636407

Фиг.2. Патентни решения на устройства за защита на различни видове електронна

апаратура от електростатични разряди и последствия от попадения на мълнии.

В резултат на направения обзор са формулирани следните изводи:

1. Обобщени са принципите, както и различни математически модели, за

симулационно изследване на процесите при въздействието на стандартизирани

типове високоволтови импулси и съответната реакция на защитните

устройства. Между тях не са открити модели, които да отразяват стохастичния

характер на тези смущения в природата.

2. Намерени са значителен брой конструкции и решения на устройства за

защита на радиокомуникационна апаратура от електростатични разряди и

последствия от попадения на мълнии, проникващи през мрежовото захранване,

US 6236551 US 6411487

US 5790361

US 6366251

7

при които се използват главно газоразрядни и/или металооксидни варисторни

елементи, както и лавинни диоди.

K.Armstrong, 2003

Citel, 2012

Huber+Suhner, 2012

G.M.Kauffman, 2005

Фиг.3. Част от резултатите от проведени изследвания, отнасящи се до устройства,

предназначени за защита на различни видове електронна апаратура от електростатични

разряди и последствия от попадения на мълнии.

8

3. Намерени са значителен брой конструкции и решения на устройства за

защита на високочестотни портове на радиокомуникационна апаратура от

електростатични разряди и последствия от попадения на мълнии, при които се

използват три основни подхода за въздействие: с използване на газоразрядни

елементи, с употребата на LC елементи, с помощта на четвъртвълнови

резонатори, както и при комбинации между тях.

4. Защитните устройства за високочестотни портове, използващи

газоразрядни елементи, се характеризират с известно напрежение на

сработване, което може да достигне сравнително високи стойности. При

употребата им трябва да се съблюдава работният сигнал да не надвишава това

пробивно напрежение за да не се задейства защитата от самия полезен сигнал.

Този тип устройства са приложими в широк обхват от честоти, като запазват

ниски загуби за полезния сигнал в своя работен диапазон и позволяват

подаването на захранващо напрежение по предпазваната линия. Тези

устройства имат относително по-ниска безотказност и съхраняемост, в

сравнение с устройствата, базирани на четвъртвълнови резонатори.

5. Устройствата за защита на високочестотни портове, използващи

принципа на четвъртвълновия резонатор, се характеризират с висока степен на

защита, ниски загуби за полезния сигнал, както и голямо бързодействие. Тези

устройства не са приложими при подаването на захранващо напрежение по

предпазваната линия, както и за ниски честоти. Те работят в тясна честотна

лента, но позволяват отвеждането на по-големи смущаващи токове, в сравнение

с газоразрядните устройства и имат по-голяма трайност – време за достигане до

неработоспособно състояние (отказ).

6. В резултат на направения обзор не са намерени решения, базиращи се на

четвъртвълнови резонатори, които да се използват в относително

нискочестотните обхвати като метровълновия.

7. В резултат на направения обзор се достигна до извода, че за

реализирането на четвъртвълнови резонатори се използват различни подходи,

между които не са намерени такива, при които се употребяват конвенционални

средства с относително ниска технологична себестойност и пазарна цена.

8. В резултат на направения обзор не се намериха решения, базирани на

четвъртвълнови резонатори, които да имат повече от една работна честотна

лента.

Като следствие от направените изводи от глава първа е дефинирана

основната цел и произтичащите от нея задачи, които са поместени в обособения

дял „Обща характеристика на дисертационния труд“ (стр.3) от настоящия

автореферат.

ГЛАВА ВТОРА. Аналитични изследвания и симулации.

В настоящия дисертaционен труд е избрано да се изследват влиянията на

множество високоволтови смущаващи импулси с помощта на съответни

математически модели. Обекти на разглеждане са: модел, имитиращ пряко

попадение от мълния, който отговаря на препоръката за форма за

разпределение във времето от 10/350 µs според IEC 61312-1; модел, имитиращ

9

индиректно попадение или комутационно пренапрежение, което отговаря на

изискването за времево разпределение 8/20 µs; модел с времево разпределение

5/30 ns, имитиращ електростатичен разряд от наелектризирано човешко тяло,

който въздейства върху електронна апаратура, както и други, дефинирани в

различни стандарти импулси.

От физическа гледна точка електростатичните разряди и останалите

високоволтови смущаващи импулси се явяват близки по своя характер до

разреждането на капацитивен елемент, който може да се опише с помощта на

експоненциални зависимости. Известно е, че високоволтовите смущаващи

импулси се характеризират с много стръмен изкачващ преден фронт и

относително плавно затихващ спрямо него заден фронт на тока във времето. От

аналитична и от физическа гледна точка е целесъобразно да бъдат изследвани

възможностите на такива математически модели, които са подходящи и

универсални за описанието на явленията, обект на разглеждане в настоящата

дисертационна работа. В този смисъл характерът на високоволтовите

смущаващи импулси изисква при моделирането им да бъде включен стръмен

нарастващ преден фронт, при който токът нараства до своята максимална

стойност за относително кратко време и плавно затихващ заден фронт, по време

на който се разсейва енергията на импулса. Например формулата xcb exay ... ,

(2.1.1), която се определя в зависимост от стойностите на коефициентите a, b и

c, води до поредица от решения. За нашия случай комбинациите, при които c<0,

0<b<1, както и c<0, b=1, водят до две графични решения, показани на фиг.4.

Фиг.4. Характер на модела (2.1.1) при различни комбинации за коефициентите b и c.

Изразът (2.1.1) може да бъде записан и като tcb

metaItI ....)( , (2.1.2),

където Im се явява амплитудната стойност на тока, а коефициентът a има

смисъл на мащабиращ за нея фактор. Чрез промяна на стойностите на

коефициентите a, b и c в модела (2.1.2) става възможно да бъдат получени и

формите на кривите на тока, съответстващи на стандартите 0,25/100 μs и 8/20

μs, които са възприети съответно за описание на въздействието за последващи

директни попадения, както и при индиректно попадение на мълния.

10

На фиг.5 са показани графичните изображения на зависимостта за случаите

0,25/100 μs и 8/20 μs, а в табл.1 - стойностите за съответните коефициенти.

0,25/100 μs

8/20 μs

Фиг.5. Изображения на решенията на импулсите по модела (2.1.2).

За да отразява правдопо-

добно реалното разпределе-

ние за появата на импулси

спрямо техния заряд, моделът

би следвало да генерира

случайни импулси, които са с

несиметрично разпределение

спрямо средната стойност. С

помощта на разпределението на Вейбул, което се описва със зависимостта:

min

2

min

1

2

min

2

1

min

,exp..

,0

)( 11

qqk

qq

k

qq

k

k

qq

qf kk , (2.1.8)

като стойностите на коефициентите k1 и k2 от (2.1.8) се определят чрез

зависимостите: 2

1 0759898,0835597,0111186,0

qq

qqk

, (2.1.9)

1

1

1

0

2

1kn

j

k

jqn

k

, (2.1.10)

се определя вероятността за появата на импулси с определена или по-голяма

стойност на заряда и това може да се представи с помощта на зависимостта:

min

2

min

min

,exp

,1

1

qqk

qq

qq

qP k ; (2.1.11)

Табл. 1

Коефициент

Импулс a b c

0,25/100 μs 0,96710 0,04800 0,00880

8/20 μs 0,02220 2,78000 0,26000

11

С помощта на MatLab и равновероятностно разпределени случайни числа са

зададени стойностите на коефициентите b 0,145÷2,78 и c 0,00325÷0,26,

като са получени семейството криви, илюстрирани на фиг.6.

Фиг.6. Семейство от 10 случайно генерирани смущаващи импулса.

В таблица 2 са поместени стойностите на средния относителен заряд,

дисперсията и коефициента на вариация при 10000 решения, както и

минималната и максималната стойност на получените относителни заряди.

Таблица 2

Параметър Средна

стойност Дисперсия

Коефициент

на вариация

Брой на

импулсите

Минимална

стойност

Максимална

стойност

Дименсия C/A C/A % - C/A C/A

Стойност 5,27.10-5

4,73.10-5

89,7 10 000 5,46.10-6

1,09.10-3

Известно е, че входният импеданс в единия край на отрязък от двупроводна

линия, който е със свързан накъсо втори край, зависи от дължината му и от

честотата на електромагнитната вълна (ЕМВ) – съответно от дължината на

вълната. Ако се направи допускане, че двупроводната линия е без загуби, то

входният й импеданс се определя със зависимостта :

ltgjZ

shortin

2. ,

(2.2.1.1), където: ρ е вълновото съпротивление на двупроводната линия, l –

дължината на отрязъка и λ – дължината на ЕМВ.

Стойностите на (Zin)short се изменят в интервала (-∞;+∞), което дава

възможност чрез избор на дължината на отрязъка спрямо средната честота на

работния сигнал, да се постигне безкрайно голям входен импеданс. Ако така

определеният отрязък се свърже паралелно към антенния фидер на дадена

радиокомуникационна система, то той не би повлиял на работата й, но би

шунтирал всички ЕМВ с честота по-ниска от работната.

12

От направения обзор по тематиката на дисертационния труд, се установи,

че реализирането на QWS защитни устройства за ниски честоти е ограничено.

От една страна това е така поради увеличаването на физическите размери на

шунта и от друга вследствие на понижената степен на защита поради

повишения индуктивен характер за относително ниските честоти. За

реализиране на QWS защитно устройство за системи, работещи в обхвата на

МВ, следва да се потърси подходящо технологично решение за реализацията на

четвъртвълновия шунт, като това би могло да е и конвенционален фидер

(коаксиален кабел). Реалните коаксиални кабели се характеризират с т.нар.

първични параметри: активно съпротивление на единица дължина, R0 [Ω/m];

активна проводимост на единица дължина, G0 [S/m]; индуктивност на единица

дължина, L0 [H/m]; капацитет на единица дължина, C0 [F/m], които имат

честотно зависими стойности и допускането за линия без загуби не може да

бъде направено в цялата честотна област. В такъв случай зависимостта (2.2.1.1)

не би била коректна и входният импеданс на отрязъка може да се изрази с друга

зависимост: lthZZshortin .0 , (2.2.1.2), където 0Z е комплексното

вълново съпротивление, а – комплексната константа на разпространение.

Определянето на комплексното вълново съпротивление и константата на

разпространение, разглеждана като функция на честотно зависимите първични

параметри, може да се направи чрез зависимостите :

ffCjfG

ffLjfRZ

00

000

2

2

,(2.2.1.3

ffCjfGffLjfR 0000 2.2 .(2.2.1.4)

Имагинерната част на константата на разпространение е пряко свързана с

дължината λ на разпространяващата се в кабела вълна посредством израза:

Im

2 .(2.2.1.5). За оценяване на влиянието върху работоспособността на

радиокомуникационните системи на паралелно свързания към антенния фидер

отрязък от коаксиален кабел в качеството му на QWS защитно устройство е

най-удобно да се определи коефициентът на стояща вълна (КСВ, SWR) във

фидера. Той дава най-ясна представа за режима на работата на предавателните

линии и освен това е параметър, който лесно може да се измерва в практиката,

като по този начин се следи за доброто съгласуване при извършването на

експериментални изследвания. Аналитичното определяне на КСВ може да се

постигне чрез използване на зависимостта: p

pSWR

1

1, (2.2.1.6). Във

формула (2.2.1.6) p е коефициентът на отражение и може да се определи със

зависимостта: ct

ct

ZZ

ZZp

, (2.2.1.7), където Zc е номиналното вълново

съпротивление на предавателната линия на радиокомуникационната система, а

13

Zt е товарният импеданс, с който е натоварена линията. Той се определя като

резултативен импеданс на паралелно свързаните (Zin)short, определен по (2.2.1.2)

и номиналното характеристичното съпротивление на антенния фидер Zc:

cshortin

cshortin

tZZ

ZZZ

.

, (2.2.1.8). Чрез използване на програмния продукт MatLab са

получени сравнителни резултати на някои параметри, представляващи интерес,

като за входни фактори са зададени реални стойности на R0, G0, L0 и C0,

съответстващи на коаксиален кабел RG58 по БДС 6483-87. Този тип кабел

намира широко приложение в системите от подвижната радиослужба,

работещи в обхвата на МВ.

На фиг.7 е показана зависимост за

модула на товарния импеданс |Zt| за

честоти f от VHF обхвата при фиксирана

дължина от 1 m на отрязъка на фидера. На

същата фигура е отразен и случаят на

поведението на идеален кабел без загуби.

В таблица 3 са представени

граничните честоти и ширината на

работната честотна лента при

различни равнища на съгласуване за

първия (основен) резонансен

минимум на симулирано QWS

защитно устройство, в конструк-цията на което е залегнал кабел RG58 с

дължина 1 m. Получените стойности за честотните ленти на пропускане на

разглежданите четвъртвълнови структури показ-ват, че потокът от работни

сигна-ли на системите, работещи в този честотен диапазон, няма да бъде

възпрепятстван. На фиг.8 е показана определената чрез използваната методика

зависи-мост за коригиращия коефициент при определяне на дължината на

отрязък от конвенционален коаксиален кабел, участващ в конструкцията на

QWS защитни устройства за VHF обхвата. Съществуват антени за осигуряване

на GSM радиопокритие, които работят едновременно в няколко честотни ленти.

При тях ВЧ сигнали за различните обхвати се подават по един общ фидер. В

тези случаи би било целесъобразно реализирането на QWS защитно устройство

от високоволтови смущения, което да има повече от една работна честотна

лента.

Табл. 3

Гранични

честоти

Съгла-

суване

f fmin fmax Δf Δf

MH

z

MH

z

MH

z

MH

z

%

КСВ = 2

49,0

2

32,0

2

68,0

5

36,0

3

73,5

КСВ = 1,5

37,1

1

60,9

4

23,8

3

48,6

КСВ = 1,2 43,4

9

54,5

6

11,0

7

22,6

Фиг.7. Зависимост на |Zt| от честотата за кабел

RG58 при дължина от 1 m.

14

Решение на поставената задача може да се намери, като се прибегне до

реализирането на фрактални структури, подобни на структурите от дървото на

Манделброт, които да имат вида, показан на фиг.9. Блокова и еквивалентна

схема на QWS защитно устройство с полиразклонена структура от втора

итерация е показано на фиг.10.

Входните импеданси Z1 и Z2 на

двете рамена се явяват паралелно

свързани помежду им и за

товарния импеданс на рамото с

дължина l3 се получава:

21

213

.

ZZ

ZZZ

, (2.3.1.3).

Входният импеданс на

разклоненото QWS защитно

устройство може да се получи,

като се намери входният импеданс

на линията с дължина l3, която е

натоварена с товар Z3. В този случай е в сила

зависимостта, при която с ZQWS е означен входният

импеданс на QWS защитното устройство:

33303

3033303

2sin.2cos.

2sin.2cos.

lZjlZ

lZjlZZZQWS

,

(2.3.1.4).

Възможно е да се

напишат следните равенства:

ffCjfG

ffLjfRZ

kk

kkk

00

000

2

2

(2.3.1.5) и

2/1

00

00

2.

.2

ffCjfG

ffLjfR

kk

kk

k

(2.3.1.6).

Фиг.8. Коригиращ коефициент за дължината на

кабела l в зависимост от честотата.

Фиг.9. Фрактални структури

за QWS защитни устройства.

Фиг.10. Блокова (а) и еквивалентна (b) схема на QWS

защитно устройство с разклонена структура от втора

итерация.

15

На фиг.11 е показано напречното сечение на коаксиална структура с нейните

електрически параметри. Изчисляването на R0 във функция от честотата f може

да се постигне със зависимостта:

fSfS

RRfRouteq

out

ineq

inoutin

000 , (2.3.1.7)

където с Seq in(f) и Seq out(f) са означени съответно честотнозависимите

еквивалентни площи на вътрешния и външния проводник при отчитане на

повърхностния ефект при протичане на ВЧ токове. За изчисляването им се

използват формулите:

12 inskin

in

D

r

inskinininskinineq eDrDfS , (2.3.1.8)

outskin

outout

D

rr

outskinoutoutskinoutoutskinouteq eDrDrDfS

21

212 . (2.3.1.9)

Определянето на

дълбочината на слоя, в който

протичат високочестотните

токове може да стане с

помощта на зависимостта:

f

fDr

skin

0

,

(2.3.1.10)

като за ρ и µr се взимат

съответните стойности за

външния и за вътрешния

проводник. Изчисляване на G0 във функция от честотата f може да се направи

със зависимостта: cntg GfGfG 000 , (2.3.1.11), където G0 tg е проводи-

мостта, породена от диелектричните загуби, а G0 cn – тази, дължаща се на

крайното съпротивление на диелектрика. За изчисляването им се използват

формулите:

in

out

rtg

r

r

tgffG

1

0

2

0

ln

4 , (2.3.1.12) и

in

outmid

cn

r

rG

1

0

ln.

2

(2.3.1.13).

Трябва да се отбележи, че загубите G0 cn , породени от крайното

електрическо съпротивление на диелектрика не зависят от честотата. С

достатъчна за изследванията точност може да се приеме, че индуктивността и

капацитетът за единица дължина също имат честотнонезависим характер при

употребата на конвенционални материали, които се явяват линейни и

Фиг.11. Напречно сечение на коаксиална структура с

нейните електрически параметри.

16

изотропни от електромагнитна гледна точка. Тези първични параметри могат да

се пресметнат по формулите, съответно:

in

outr

r

rL 10

0 ln2

, (2.3.1.14) и

in

out

r

r

rC

1

0

0

ln

2 , (2.3.1.15).

Технологичното реализиране на коаксиалните структури може да се

осъществи с помощта на методите на студеното металообработване. В подобен

случай следва да се отчете качеството на обработваните повърхнини и тяхната

точност чрез параметри като грапавост и допусково поле на размерите.

Известна е зависимост, с която се отчита влиянието на грапавостта на

металните повърхнини на проводящите елементи върху електрическите загуби.

Въвежда се коефициент Kw за корекция на затихването, който може да се

изчисли със следната формула:

6,1

21

fD

w

skin

eK , (2.3.1.16)

където с δ е означена стойността на височината на микрограпавините на

повърхнината на обработване чрез стружкоотнемане.

Намирането на дължините l1 и l2, определящи основните резонансни честоти

на двете рамена, може да се направи с решаване на системата:

2

3

2

2

2

1

1800

2

2

1

900

z

z

z

z

k

ffk

f

k

ffk

f

, (2.3.1.19),

където с f1 и f2 са отбелязани съответно

резонансните честоти на двете рамена, а

f900 и f1800 са централните честоти на

работните обхвати според приетите

GSM стандарти. Отношението на двата

характеристични импеданса за двете

рамена се определя като 20

10

Z

Zkz .

Изчислените резонансните честоти за двете рамена на разклонено QWS

защитно устройство се получават съответно: f1 = 670 MHz и f2 = 1630 MHz при

предварително избрана стойност за kz = 1,3. На тези стойности съответстват

дължини за рамената l1 = 112 mm и l2 = 46 mm при реализирането на

коаксиална твърдотелна структура, изпълнена с въздух в качеството му на

диелектрик с налягане, равно на атмосферното.

На фиг.12 е показана симулация на съгласуването на по-лиразклонено QWS

защитно устройство от втора итерация за работа едновременно по стандартите

GSM 900 и GSM 1800.

Изводи от глава втора

1. Предложеният математически модел (2.1.1), адаптиран и използван в

настоящите изследвания във вида му (2.1.2), предоставя добри възможности за

моделиране на процесите, протичащи при въздействието на високоволтови

17

смущаващи импулси върху радиокомуникационна апаратура. [Ангелов 2]

2. С използ-

ването на веро-

ятностния закон

на Вейбул се

доказва, че с

помощта на на-

правеното симу-

лационно моде-

лиране на висо-

коволтови сму-

щаващи импул-

си със случаен

характер се пос-

тигат качестве-

но нови резул-

тати, приближаващи се в голяма степен до реалните процеси в природата,

проявяващи се като електростатични разряди, комутационни пренапрежения и

мълнии. [Ангелов 4]

3. Направените симулации, основаващи се на модела (2.1.2), както и при

едновременното използване на вероятностния закон на Вейбул и закона за

равновероятностно разпределение на случайни числа, предсказват по един нов

начин появата на високоволтови смущаващи импулси в атмосферата, отнасящи

се за региона на България. [Ангелов 4]

4. Получените теоретико-аналитични резултати, отнасящи се до използване-

то на стандартен фидер в качеството му на средство за QWS защита на радиоко-

муникационна апаратура, са достатъчно обнадеждаващи за реалното използва-

не на фидера, предвид на ниската му себестойност и възможността за улеснена

имплементация на защитни устройства в нискочестотните обхвати. [Ангелов 1]

5. Предложеният интегрален подход за реализирането на защитни

устройства с разклонена структура, предназначени за едновременна работа в

няколко честотни обхвата, се явява нова възможност като подход, който

показва обнадеждаващи резултати по отношение на неговата ефективност.

ГЛАВА ТРЕТА. Лабораторни експериментални изследвания.

Известно е, че реалните коаксиални кабели имат честотнозависими загуби,

които предизвикват промяна на дължината на ЕМВ. Това налага корекция на

дължината на отрязъците в състава на защитните устройства, отчитайки

работната честота и параметрите на кабела, което беше постигнато във втора

глава.

В таблица 4 са поместени резултатите от експериментално изследване на

съгласуването на отрязъци от коаксиален кабел тип RG58 по БДС 6483-87 с

различни дължини.

Фиг.12. Съгласуване на полиразклонено QWS защитно устройство от

втора итерация за работа по стандартите GSM 900 и GSM 1800.

18

Таблица 4

le , m 1,0

0

0,7

5

0,5

5

0,4

0

0,3

0

0,2

5

0,2

0

0,1

8

0,1

65

0,1

5

0,1

35

0,1

2

0,1

05

0,0

9

0,0

75

0,0

6

0,0

45

0,0

3

0,0

15

f,

MHz 50

,72

68

,38

94

,62

13

2,5

5

18

0,0

5

21

8,6

0

27

6,6

0

30

6,2

5

33

7,5

0

36

8,7

5

40

9,3

7

45

3,1

2

50

6,2

5

57

8,1

2

65

9,3

7

75

3,1

2

86

8,7

5

92

8,1

2

97

1,8

7

SWR

1,0

64

1,0

78

1,0

83

1,0

87

1,0

89

1,1

02

1,0

98

1,0

93

1,0

97

1,1

05

1,1

05

1,0

92

1,0

92

1,1

17

1,1

77

1,3

04

1,5

94

2,1

18

2,8

04

За всеки един от отрязъците е определена честотата, съответстваща на

дължината на вълната - четири пъти по-голяма от дължината на кабела le, m.

Въз основа на получените емпирични стойности е направена степенна

интерполация на експериментално получената дължина le, с оглед тези

стойности да се съпоставят с аналитичните зависимости. С помощта на

емпиричните данни от таблица 4 е получена зависимостта:

026.1.812,59 fl

e . (3.1.1)

На фиг.13 са показани съответно аналитично получените резултати за

дължината l (а) и резултатите за lе (b) от апроксимацията със степенната

зависимост (3.1.1).

На фиг. 14 са показани сборен чертеж и снимка на разклонено твърдотелно

QWS устройство, конструирано от автора на настоящия дисертационен труд.

Реализираната разклонена структура има възможност за корекция на размерите

l1 и l2. Това става с подвижно реализираните бутала, в рамките на които са

предвидени устройства за фиксация, изпълнени с помощта на стоманени сачми,

Фиг.13. Стойности за дължините l и le в зависимост от честотата, получени по аналитичен

начин и чрез апроксимация на експерименталните данни от табл. 4 с помощта на (3.1.1).

19

които осъществяват диференциално прехвърляне на усилието за фиксация

между вътрешното жило и външния цилиндричен електрод на коаксиалните

рамена. По този начин става възможна бързата и точна промяна на тези

размери, като се запазва добрият електрически контакт и надеждната

механична фиксация по време на измерванията.

Фиг.14. Сборен чертеж и снимка на полиразклонен прототип на QWS устройство.

20

С помощта на лабораторния прототип е направен пълен факторен

експеримент от типа ПФЕ 32 за съгласуването на описания тип защитно

устройство. Двата входни фактора, вариращи на три нива, които в кодиран

вид са отбелязани с x1 и x2 , са дължините l1 и l2, като за централни техни

стойности са приети съответните стойности от таблица 5. Получените

резултати за параметъра (SWR, КСВ) за четирите гранични честоти на

двете работни ленти на устройството са поместени в същата таблица. Таблица 5

x1

l1 , mm

x2

l2 , mm

YE

880 MHz 960 MHz 1710 MHz 1880 MHz

SWR, - SWR, - SWR, - SWR, -

+1

119,00

+1

48,00 1,089 1,284 1,149 3,846

+1

119,00

0

46,00 1,087 1,208 1,158 2,750

+1

119,00

-1

44,00 1,112 1,185 1,155 2,371

0

114,00

+1

48,00 1,112 1,172 1,341 1,640

0

114,00

0

46,00 1,125 1,096 1,422 1,439

0

114,00

-1

44,00 1,148 1,125 1,339 1,533

-1

109,00

+1

48,00 1,145 1,131 1,536 1,223

-1

109,00

0

46,00 1,155 1,084 1,517 1,232

-1

109,00

-1

44,00 1,187 1,112 1,536 1,222

Търсеният модел е от вида: 2

222

2

111211222110...... xbxbxxbxbxbbY , (3.3.1)

на който коефициентите се определят по формулите:

9

1

2

1

9

1

2

00.

3

1.

9

5

j i jjijjj

yxyxb , (3.3.2)

9

1

..6

1

jjji

yxb , (3.3.3)

9

1

2

1

....4

1

jjkjij

iik

yxxb , (3.3.4)

9

1

9

1

22

1 3

1..

2

1

j jjjij

iii

yyxb . (3.3.5)

Стойностите на пресметнатите коефициенти са поместени в таблица 6.

21

Таблица 6

Гранична честота b0 b1 b2 b12 b11 b22

880 MHz 1,1218 -0,0168 -0,0332 0,0047 0,0098 0,0008

960 MHz 1,1051 0,0275 0,0583 0,0200 0,0388 0,0363

1710 MHz 1,3827 -0,0007 -0,1878 -0,0015 -0,0230 -0,0255

1880 MHz 1,4270 0,2638 0,8817 0,3685 0,1655 0,5700

Получените модели имат вида (таблица 7): Таблица 7

2

2

2

121

21880

.0008,0.0098,0..0047,0

.0332,0.0168,01217.1

xxxx

xxYM

(3.3.6)

2

2

2

121

21960

.0363,0.0388,0..0200,0

.0583,0.0275,01051.1

xxxx

xxYM

(3.3.7)

2

2

2

121

211710

.0255,0.0230,0..0015,0

.1878,0.0007,03826.1

xxxx

xxYM

(3.3.8)

2

2

2

121

211880

.5700,0.1655,0..3685,0

.8817,0.2638,04270.1

xxxx

xxYM

(3.3.9)

Върху моделите са проведени съответните проверки за значимост на

коефициентите, за еднородност на дисперсиите на параметъра и за адекватност.

В следващата таблица 8 са поместени визуализации на моделите (3.3.6 ÷

3.3.9) в рамките на факторното пространство. Таблица 8

YM 880

YM 960

YM 1710

YM 1880

На фиг. 15 са показани повърхнините на параметъра, представен със

зависимостите (3.3.6) ÷ (3.3.9) в една обща координатна система. С оглед на по-

добрата визуализация, стойностите на YM 1880 са ограничени с неравенството

КСВ<1,5. Забелязва се, че зависимостите за честоти 880 MHz и 1710 MHz имат

22

сходен характер без ясно изразен минимум. Същевременно при повърхнините

за честоти 960 MHz и 1880 MHz може да се локализира минимум. По-голямо

изменение на параметъра YM има за граничните честоти от стандарта GSM

1800, като те се доближават до желаните стойности КСВ<1,2 в по-ограничена

област от факторното пространство, докато за граничните честоти от стандарта

GSM 900 това условие е изпълнено почти в цялото поле на изменение на

факторите. Локалните екстремуми, получени от всяко едно от направените

решения, не могат да бъдат универсални, едновременно за решаването на

комплексната задача за реализиране на универсално разклонено QWS защитно

устройство, съобразно стандартите GSM 900 и GSM 1880. С оглед постигането

на най-добро съгласуване на разглежданото устройство е направена

компромисна оптимизация.

С помощта на функцията Φ(η) на полезност, която има вида:

m

jMj

Ym 1

1 , (3.3.12)

е проведена компромисна оптимизация, където ηj(YM) е аргумент на функцията

за полезност и той се определя по зависимостта:

min21max21

2121

,,

,,

xxYxxY

xxYxxYkY

MM

НУ

MjM

Mj

. (3.3.13)

Във формула (3.3.13) са използвани следните символни означения: k = ±1 –

коефициент, с който се отчита максималната (+) или минималната (-) стойност,

като оптимална за изследвания параметър; YM(x1,x2)НУ

– най-

неудовлетворителната стойност на параметъра; YM(x1,x2)max – най-голямата

стойност на параметъра; YM(x1,x2)min – най-малката стойност на параметъра.

Фиг.15. Изменение на повърхнините, описани с моделите (3.3.6) ÷ (3.3.9) в рамките на

факторното пространство.

23

На фиг. 16 е показано изменението на стойностите на функцията на

полезност Φ(η) в рамките на факторното пространство. Забелязва се ясно

отчетлив максимум, при който се явява оптимално решение за дължините l1 и l2

на двете рамена на разклоненото QWS защитно устройство. В таблица 9 са

поместени стойностите на параметъра КСВ за четирите изследвани гранични

честоти при оптимално избраните стойности l1 и l2 на двете рамена. От

стойностите, отразени в таблица 9, се вижда, че постигнатата оптимизация

не дава добри резултати за съгласуване на устройството за честота 1880 MHz.

Таблица 9

Честота 880 MHz 960 MHz 1710 MHz 1880 MHz

КСВ 1,1148 1,1250 1,3072 1,7318

Отчитайки характера на изменение на зависимостите YM за четирите

изследвани честоти може да се заключи, че е целесъобразно да се извърши

втора оптимизация спрямо параметрите, които имат критично поведение. Това

са YM 1710 и YM 1880. На фиг. 17 е показано изменението на стойностите на

функцията на полезност Φ(η) в рамките на факторното пространство в случая,

при който се прави оптимизация само по тези две честоти.

Фиг.16. Оптимизация за целия спектър от

честоти: 880÷1880 MHz.

Фиг.17. Оптимизация за честотите 1710 и

1880 MHz.

В таблица 10 са поместени стойностите на параметъра при проведената

вторична оптимизация, за която съответстват стойности за двата входни

фактора - рамената l1 = 114,3 mm и l2 = 44,2 mm. Тези стойности показват, че

различията с получените стойности във втора глава са минимални и най-

вероятно те се дължат на внесените в точките на разклоненията изкривявания в

електромагнитното поле в рамките на коаксиалните структури. Таблица 10

Честота 880 MHz 960 MHz 1710 MHz 1880 MHz

КСВ 1,1436 1,1148 1,3541 1,3541

Изводи от глава трета

1. С помощта на окомплектования лабораторен експериментален стенд е

доказано, че съгласуването на отрязъци от реален коаксиален кабел с внесени в

тяхната дължина корекции, обект на аналитични изследвания в глава втора, е

24

добро при честоти, нарастващи до определена стойност и при използването на

КСВ в качеството му на параметър. [Ангелов 1]

2. С помощта на втори лабораторен експериментален стенд е доказано, че с

помощта QWS защитни устройства, които са осъществени с помощта на реални

и коригирани по дължина отрязъци от коаксиален кабел, може да се реализират

ефективни защити срещу високоволтови попадения в антенния вход на

радиокомуникационна апаратура, работеща в обхвата на метровите вълни.

3. С помощта на специално конструираното и реално изработено разклонено

твърдотелно QWS защитно устройство [Ангелов 7], при параметър КСВ и с

помощта на получените математико-статистически модели, са постигнати

локални екстремуми на съгласуването за отделните гранични честоти, свързани

с използване на разклоненото по структура защитно устройство, предназначено

за защита на радиокомуникационна апаратура, използваща едновременно две

радиочестотни ленти, подавани по фидера.

4. С помощта на разклоненото твърдотелно QWS защитно устройство

[Ангелов 7], при параметър КСВ и с помощта на математико-статистическите

модели, е направена двустепеннна компромисна оптимизация, която

удовлетворява едновременно защитата от високоволтови попадения в

радиокомуникационна апаратура, работеща едновременно на две

радиочестотни ленти по стандартите GSM 900 и GSM 1800.

5. Постигнатите положителни резултати, свързани с използването на

коаксиален кабел и твърдотелни разклонени структури в качествата им на QWS

защитни устройства, дават основание да бъдат направени експериментални

изпитвания в индустриални условия.

ГЛАВА ЧЕТВЪРТА. Индустриални експериментални изследвания.

Получените положителни резултати във втора и трета глава на настоящия

дисертационен труд дават основание да бъдат проведени изпитвания на

предлаганите конструкции на QWS защитни

устройства в реални условия на експлоатация

на съответната радиокомуникационна

апаратура. В настоящата глава са поместени

резултати от анализи върху поведението на

защитни устройства, включващи в състава си

отрязъци от конвенционални коаксиални

кабели, монтирани в значителен брой реално

работещи обекти, оборудвани с радиостанции

в обхвата на PMR радиослужбата. Поместени

са и резултати от изпитване, проведено със

специално конструираното за

експерименталните изследвания от глава 3

твърдотелно разклонено устройство, което е

монтирано на реално работеща базова

станция от мрежата на GSM мобилен

оператор. На фиг.18 е показан външният вид на защитно устройство за

Фиг.18. Външен вид на защитно

устройство за индустриално

внедряване, включващо в състава си

отрязък от коаксиален кабел с

оптимизирана дължина.

25

индустриално внедряване, включващо в състава си отрязък от коаксиален кабел

с оптимизирана дължина.

В таблица 11 е поместен списък на част от предприятията, в които са

направени внедрявания на устройството от фиг.18. В същата таблица са

поместени и получените откази с и без монтирани защитни устройства.

Таблица 11

ПРЕДПРИЯТИЕ МЯСТО РАБОТНА

ЧЕСТОТА

БРОЙ

ОБЕКТ

И

БРОЙ

ОТКАЗИ

БЕЗ

ЗАЩИТА

БРОЙ

ОТКАЗИ

СЪС

ЗАЩИТА

„ВиК“ ООД,

гр. Габрово

общ. Габрово

общ. Трявна

общ. Дряново

53 950 kHz 35 5 1

„ВиК“ ЕООД,

гр. Видин

общ. Видин

общ. Ружинци

общ. Кула

общ. Димово

общ.

Белоградчик

54 850 kHz 50 11 2

„ВиК“ ООД,

гр. Димитровград

общ.

Димитровград 54 900 kHz 15 4 1

„ВиК“ ЕООД,

гр. Ябмол общ. Ямбол

54 850 kHz

56 350 kHz 18 2 1

„ВКС“ ЕООД,

гр. Пещера общ. Пещера 54 725 kHz 2 1 0

„ВиК - Свищов“ ЕАД,

гр. Свищов общ. Свищов 54 900 kHz 2 1 0

„Кюстендилска вода“

ЕООД, гр. Кюстендил

общ.

Кюстендил,

общ. Бобов дол

54 200 kHz 2 3 0

„ВиК - Шумен“ ООД,

гр. Шумен общ. Шумен 54 850 kHz 18 2 1

„ВиК“ ЕООД,

гр. Добрич

общ. Добрич

общ. Балчик

54 200 kHz

150,7 MHz 2 1 0

„ВиК“ ЕООД,

гр.Плевен общ. Плевен 54 200 kHz 1 1 0

„ВиК Стенето“ ЕООД,

гр. Троян общ. Троян 54 200 kHz 12 3 1

„ВиК“ ЕООД,

гр. Пловдив общ. Пловдив

54 200 kHz

55 450 kHz 2 0 0

SKF Berings Bulgaria

ЕАД, гр. София гр. Калофер

38 512,5

kHz 2 1 0

nобщо nоткази 1 nоткази 2

Общо 160 36 7

За тези обекти са обработени данни относно съгласуването в антенния

фидер и количеството на отказите (повредите) в апаратурата преди и след

монтирането на защитните устройства. Характерът на отказите, според

теорията на надеждността, е от типа внезапен и невъзстановим, а като

количествена характеристика за оценка на надеждността е пресметната

26

вероятността за безотказна работа. Данните за работата на апаратурата са

събирани в периода 2006 ÷ 2012 г., като монтажите са извършени в интервала

2008 ÷ 2010 г.

Получените стойности за вероятността за безотказна работа, пресмятащи се

по формулата: 100.общо

iотказиобщо

in

nnP

без монтирани устройства, е Р1=77,5%,

а за случая с монтирани защитни устройства - P2=95,6%.

С помощта на специализирана апаратура в условията на предприятието

Мобилтел ЕАД са направени изпитвания за съгласуване на твърдотелното

устройство, предназначено за защита едновременно по двете работни честотни

ленти според стандартите GSM 900 и GSM 1800. На фиг.19 е илюстрирано

работното свързване на разработеното в настоящата дисертация прототипно

устройство. На фиг.20 и 21 са показани зависимостите на КСВ в честотните

обхвати 880 ÷ 960 MHz и 1710 ÷ 1880 MHz с поставени маркери за граничните

честоти. На фиг.22 е показана зависимостта на КСВ в целия честотен обхват

Фиг.19. Работно свързване на разработеното

от автора на настоящия дисертационен труд

разклонено QWS защитно устройство към

базова станция на Мобилтел ЕАД.

Фиг.20. Изпитване на съгласуването на

разработеното от автора на дисертацията

разклонено QWS защитно устройство в

честотния диапазон 880 ÷ 960 MHz.

Фиг.21. Изпитване на съгласуването на

разработеното от автора на дисертацията

разклонено QWS защитно устройство в

честотния диапазон 1710 ÷ 1880 MHz .

27

850 ÷ 1900 MHz с поставени маркери на граничните честоти. От направените

измервания бяха отчетени стойности за КСВ за четирите гранични честоти,

които са поместени в таблица 12. Таблица 12

Честота 880 MHz 960 MHz 1710 MHz 1880 MHz

КСВ 1,079 1,179 1,286 1,328

На фиг.23 е показана

визуализация при свързана

реална антена за GSM

радиопокритие, като в

този случай КСВ ≈ 1,42. С

тази конфигурация са

направени редица тестови

телефонни обаждания за

потвърждаване на работо-

способността на базовата

станция. Измерванията са

осъществени и документи-

рани в периода 06.02.2013

– 21.02.2013 г. с помощта

на следната апаратура и

софтуер:

Anritsu Site Master S332G;

Фиг.22. Зависимостта на КСВ в целия честотен обхват

850 ÷ 1900 MHz с поставени маркери на граничните

честоти.

Фиг.23. Данни за работата на базовата станция с включено в нея разработеното в

настоящия дисертационен труд разклонено QWS защитно устройство и реална антена .

28

Anritsu Handheld Software Tools, 32-bit, Ver. 6.61 на фирмата ANRITSU;OMT –

RBS 6201на фирмата RBS. За целия период на работа с монтирано разклонено

QWS защитно устройство базовата станция запази своята работоспособност.

В рамките на разработваната дисертация е направена и оценка на

себестойността на произведените устройства. Получената себестойност от 24,54

лв. за защитното устройство, основаващо се на коаксиален кабел, е съпоставима

с пазарната цена от 27,5 U$D (~55 лв. при курс на БНБ 1,4946 лв. за 1 U$D към

01.01.2013 г.) на най-близкия по своите възможности газоразряден арестер, тип

MFJ 270, на фирмата SPINER.

Получената технологична себестойност на разклоненото твърдотелно

защитно устройство в размер на 78,05 лв. е съпоставима с пазарната цена на

продуктите от серията APT-BDFDF-DB на фирмата ANDREW, които към

01.01.2013 г. се предлагат на пазара с цена 108 U$D, която съответства на

стойността 161,42 лв/бр. при същия курс на долара.

Изводи от глава четвърта

1. Експериментите в практиката, проведени с помощта на QWS защитни

устройства, включващи в състава си отрязък от коаксиален кабел с

оптимизирана дължина [Ангелов 6], показаха, че надеждността, оценявана чрез

вероятността за безотказност на защитаваните радиокомуникационни системи,

се увеличава приблизително с 18 %, като се запазва добро съгласуване в

антенния фидер, което се влошава незначително с 1,87 %.

2. Експериментите в практиката, проведени с помощта на разклонени QWS

защитни устройства [Ангелов 7], показаха, че се запазва надеждността на

работа на радиокомуникационната система, като се постига добро съгласуване

в антенния фидер едновременно за двете работни честотни ленти според

стандартите GSM 900 и GSM 1800, съизмеримо с това на други, намиращи се

към момента на пазара защитни устройства.

3. Себестойността на произведените QWS защитни устройства, включващи

в състава си отрязък от коаксиален кабел с оптимизирана дължина, показва, че

при заложена добавена стойност от порядъка на 50%, обоснована от

нестандартния характер на изделието, е налице възможност за двустранна

удовлетвореност от страна както на потребителя, така и на производителя.

4. Пресметнатата себестойност за четвъртвълново защитно устройство с

разклонена структура, разглеждано като потенциален пазарен продукт, показва,

че създадената конструкция, базираща се на изработения прототип (фиг.3.3.2),

има достатъчни конкурентни възможности и с тази конструкция може да се

излезе на пазара на продукти от този тип.

5. Постигнатите положителни резултати, свързани с използването на

коаксиален кабел и на твърдотелни разклонени структури в качествата им на

QWS защитни устройства, дават основание да бъдат направени заявки за

патенти пред българското Патентно ведомство.

ПРИНОСИ ОТ ДИСЕРТАЦИЯТА СПОРЕД МНЕНИЕТО НА АВТОРА

Авторът на настоящия дисертационен труд оценява следните, съществени

според него, приноси:

29

Научен принос:

1. Подходът за моделиране на характера на високоволтови импулси,

основаващ се на аналитичния модел (2.1.2), при задаване на коефициентите му

с помощта на равновероятностно разпределени случайни числа, като

комплексно средство за аналитично изследване на реакциите на

комуникационните системи при въздействие на високоволтови смущения.

[Ангелов 2], [Ангелов 4], [Ангелов 5]

Научно-приложни приноси:

2. Взаимовръзката между дължината на отрязък от реален коаксиален

кабел и работната честота, описана аналитично с помощта на формула (3.1.1) и

графично илюстрирана на фиг. 13, получена в резултат от експерименталното

лабораторно изследване, като средство за определяне на дължините на

коаксиалните отрязъци при конструиране на QWS защитни устройства.

[Ангелов 1]

3. Оптималните стойности за конструктивните размери на създадената

нова твърдотелна конструкция на разклонено QWS защитно устройство,

предназначено за две работни честотни ленти, отговарящи на стандартите GSM

900 и GSM 1800, определени чрез компромисна оптимизация върху получените

с помощта на теорията на планирания експеримент и на базата на

експериментални данни (табл. 5) и зависимостите (3.3.6) ÷ (3.3.9).

Приложни приноси:

4. Доказателството за високата степен на защита при употреба на защитни

устройства, включващи в състава си отрязъци от конвенционални коаксиални

кабели, получено в резултат на статистическа обработка на данни от

сравнително изпитване, проведено върху радиостанция, подложена на

въздействието на високоволтови импулси, приложени в антенния й възел с и

без защита.

5. Множеството внедрявания (табл. 11) в редица български предприятия

на четвъртвълнови защити [Ангелов 3], включващи в състава си отрязъци от

конвенционален коаксиален кабел с оптимизирана според работната честота и

реалните параметри на кабела дължина, както и високата надеждност, изразена

с вероятността за безотказна работа на комуникационната апаратура след

извършване на внедряванията.

6. Доказателството за постигането на добро съгласуване и ниски

стойности на КСВ на създадената нова твърдотелна конструкция на разклонено

QWS защитно устройство, предназначено за две работни честотни ленти,

отговарящи на стандартите GSM 900 и GSM 1800, постигнато при

индустриалните изпитвания в рамките на предприятие – мобилен оператор.

7. Защитеният патент за полезен модел [Ангелов 6] на устройство за

защита на радиокомуникационна апаратура от електростатични пренапрежения

и попадения от мълнии, състоящо се от корпус, към който са свързани кабелите

за връзка към радиокомуникационната апаратура и антената, както и даден

накъсо отрязък от конвенционален коаксиален кабел с дължина, определена по

методиката от Глава втора на настоящата дисертация.

30

8. Защитеният патент за полезен модел [Ангелов 7] на разклонено

устройство за защита на радиокомуникационна апаратура от електростатични

пренапрежения и попадения от мълнии, състоящо от поредица коаксиални

разклонени структури, чиито дължини и места на разклонения се определят по

методиката от Глава трета на настоящата дисертация.

Списък с авторски публикации по дисертационния труд

Публикации в списания и сборници от научни конференции

1. Ангелов, К., Експериментално изследване на параметри на антенна

защита от пренапрежения, Международна научна конференция техника,

технологии и системи ТЕХСИС 2009, Сборник с резюмета (стр. 539-543), 29-30

май 2009г., Технически университет – София, филиал Пловдив. [Ангелов 1]

2. Ангелов, К., Модели на високоволтови смущаващи импулси,

Международна научна конференция UNITECH 2010, Сборник с доклади том 1

(стр. 286-289), 19-20 ноември 2010, Технически университет – Габрово.

[Ангелов 2]

3. Ангелов, К., М. Гечев, Изследване на съгласуването на QWS антенна

защита от пренапрежения в индустриални условия, Международна научна

конференция UNITECH 2011, Сборник с доклади том 1 (стр. 308-311), 18-19

ноември 2011, Технически университет - Габрово. [Ангелов 3]

4. Angelov, K., M. Gechev, Random High Voltage Impulses Modeling for EMC

Testing, XLVII International Scientific Conference On Information, Communication

And Energy Systems And Technologies ICEST 2012, Proceedings of Papers Vol. 1,

(pp 51-54), 28-30 June 2012, Veliko Tarnovo, [Ангелов 4]

5. Angelov, K., M. Gechev, QWS Surge Protectors Testing Using Random High-

Voltage Pulses Modeling, XLVIII International Scientific Conference On

Information, Communication And Energy Systems And Technologies ICEST 2013,

Under Seal, 26-29 June 2013, Ohrid, [Ангелов 5]

Защитени патенти

6. Ангелов, К.Н., Устройство за защита на радиокомуникационна апаратура

от електростатични пренапрежения и попадения от мълнии, Свидетелство за

регистрация на полезен модел, BG 1217 U1 с приоритет от 24.02.2009 г.,

издадено от Патентното ведомство на Република България и публикувано в

Бюлетин 9 от 30.09.2009 г. [Ангелов 6]

7. Ангелов, К.Н., Полиразклонено устройство за защита на

радиокомуникационна апаратура от електростатични пренапрежения и

попадения от мълнии, Свидетелство за регистрация на полезен модел, BG 1660

U1 с приоритет от 11.07.2012 г., издадено от Патентното ведомство на

Република България и публикувано в Бюлетин 2/28.02.2013 г. [Ангелов 7]

31

PROTECTION OF RADIO COMMUNICATION EQUIPMENT FROM

HIGH-IMPULSE DISTURBANCES

K. N. Angelov

(Summary)

The development of reliably working communication systems is essential for

modern emerging solutions for information sharing. The vast majority of these

systems are based on devices that use electromagnetic energy as the carrier of

information. There are already defined terms such as generation, transmission,

reception, broadcasting, modulation, and other processes carried out by these data

signals in the specific modules of communication devices so that they can be handled

in a certain way.

Besides the processes involved in the purposeful and precise effect of

electromagnetic signals, there are existing and indeterminate effects created by

various natural and artificial sources of electromagnetic radiation. They can cause an

error in the transmitted information, confusion in the algorithms for its processing, or

– in the worst case – to physically damage the equipment.

The objective of this thesis is to develop devices for advanced protection of

radiocommunication equipment from electrostatic discharges and effects of lightning

strikes for low frequency bands (VHF) and more than one operating frequency band.

An approach of modeling the nature of high-voltage pulses in proposed. It is

based on an analytical model - when setting its coefficients using equally probable

distributed random numbers, used as a complex mean for an analytical study of the

reactions of the communication systems of the impact of high-voltage disturbance.

There is displayed a correlation between the length of the segment of a real

coaxial cable and the working frequency which is a result from an experimental

laboratory testing performed as a mean of determining the lengths of coaxial

segments when constructing QWS protective devices.

There are optimized values for different structure sizes in order to create a new

solid state structure of branched QWS protective device designed for two operating

frequencies, standards GSM 900 and GSM 1800.