вестник южно уральского-государственного_университета._серия_компьютерные_технологии,_управление,_радиоэлектроника_№3_2012

Учредитель – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный
университет» (национальный исследовательский университет)
Редакционная коллегия серии:
д.т.н., профессор Шестаков А.Л.
(отв. редактор);
д.т.н., профессор Казаринов Л.С.
(зам. отв. редактора);
к.т.н., доцент Плотникова Н.В.
(отв. секретарь);
д.ф.-м.н., профессор, чл.-кор. РАН
Ушаков В.Н.;
д.т.н., профессор Войтович Н.И.;
д.т.н., профессор Карманов Ю.Т.;
д.т.н., профессор Логиновский О.В.;
д.т.н., профессор Лысов А.Н.;
д.ф.-м.н., профессор Танана В.П.;
д.т.н., профессор Тележкин В.Ф.;
д.ф.-м.н., профессор Ухоботов В.И.;
к.т.н., доцент Кафтанников И.Л.
Серия основана в 2001 году.
Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-26455
выдано 13 декабря 2006 г. Федеральной службой по
надзору за соблюдением законодательства в сфере
массовых коммуникаций и охране культурного на-
следия.
Журнал включен в Реферативный журнал и Базы
данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно
публикуются в международной справочной системе
по периодическим и продолжающимся изданиям
«Ulrich’s Periodicals Directory».
Решением Президиума Высшей аттестационной
комиссии Министерства образования и науки Рос-
сийской Федерации от 19 февраля 2010 г. № 6/6 жур-
нал включен в «Перечень ведущих рецензируемых
научных журналов и изданий, в которых должны
быть опубликованы основные научные результаты
диссертаций на соискание ученых степеней доктора и
кандидата наук».
Подписной индекс 29008 в объединенном каталоге
«Пресса России».
Периодичность выхода – 3 номера в год.
«КОМПЬЮТЕРНЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ, УПРАВЛЕНИЕ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА»
,
ÂÅÑÒÍÈÊ
ÞÆÍÎ-ÓÐÀËÜÑÊÎÃÎ
ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÎÃÎ
ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒÀ
¹35 (294)
2012
ISSN 199 - 6X1 97
СЕРИЯ
Выпуск 17
Решением ВАК России включен в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Содержание
Вестник ЮУрГУ, № 35, 20122
СОДЕРЖАНИЕ
ВОЙТОВИЧ Н.И., КЛЫГАЧ Д.С., ХАШИМОВ А.Б. Математические модели щелевых
антенн ............................................................................................................................................... 6
САДОВ В.Б. Определение границ участков динамограммы при ее обработке ........................ 11
ПОЛЕВИК Н.Д., ЖДАНОВ Б.В. Бесконтактная защита от побочных излучений устройств
ввода СВЧ-энергии в почву ............................................................................................................ 17
КАРМАНОВ Ю.Т., ЗАЛЯЦКАЯ И.И. Математическая модель алгоритмов пеленгования
источников радиоизлучения фазо-корреляционными пеленгаторами с пространственным
распределением элементов пеленгационной решетки ................................................................. 21
КАМАЛТДИНОВА Т.С. Об оценке достоверности информации, преобразованной нели-
нейным методом .............................................................................................................................. 25
НИКОЛАЕВ А.Н. Цифровые технологии в широкополосных приемниках СВЧ радиосигна-
лов ..................................................................................................................................................... 30
ЛОГИНОВСКИЙ О.В., МАКАРЕНКО К.В. Развитие крупных промышленных предприятий
на основе геосетевого подхода и математических моделей оценки выбора новых мест дис-
локации ............................................................................................................................................. 35
ЩЕРБАКОВ В.П., ВОЛОВИЧ Г.И. Исследование технических объектов с использованием
метода идентификации моделированием ..................................................................................... 42
ЯПАРОВА Н.М., БЕЛОУСОВ М.Д., ШЕСТАКОВ А.Л. Использование регуляризующего
алгоритма для определения коэффициентов в задаче оценки собственного состояния тер-
мометров сопротивления ................................................................................................................ 45
ОСИНЦЕВ К.В. Настройка параметров низкотемпературного топочного факела с топлив-
ным реагентом переменного состава ............................................................................................. 50
КАРМАНОВ Ю.Т., ПОВАЛЯЕВ С.В. Моделирование процесса отражения зондирующего
радиосигнала от поверхности жидкости и стенок резервуара .................................................... 55
ШЕЛУДЬКО А.С., ШИРЯЕВ В.И. Совместное использование фильтра Калмана и мини-
максного фильтра в задаче оценивания параметров модели хаотического процесса .............. 59
БУШУЕВ О.Ю., СЕМЕНОВ А.С. Экспериментальное исследование возможности диагно-
стики состояния тензометрического преобразователя давления на основе анализа его вы-
ходного сигнала ............................................................................................................................... 65
АЛИЕВ М.Ю., КУЗНЕЦОВА Д.А., РЫБАКОВ Д.Ю., САМБУРОВ Н.В. Макет антенного
устройства судовой навигационной станции ................................................................................ 69
СЕДЫШЕВ В.С. Физическое моделирование динамики структурированных частиц ............. 73
СПИЦЫН В.С., СПИЦЫН В.В. Алгоритмы управления температурой в помещениях .......... 79
КАЗАРИНОВ Л.С., БАРБАСОВА Т.А. Упреждающее управление энергетической эффек-
тивностью предприятий ................................................................................................................. 85
КОРОВИН А.М. Анализ подходов и программного обеспечения для имитационного моде-
лирования социальных и экономических систем ......................................................................... 98
ДОМБРОВСКИЙ К.А., РУДНЕВ В.А. Интеллектуальные системы обмена информацией по
интерфейсу USB .............................................................................................................................. 101
БЕЛОУСОВ М.Д., ШЕСТАКОВ А.Л., ЯПАРОВА Н.М. Оценка собственного состояния
термометров сопротивлений .......................................................................................................... 105
АБДУЛЛИН В.В. Экспериментальное исследование сетей стандарта WirelessHART в сис-
темах автоматизированного энергоменеджемента зданий .......................................................... 110
НИКОЛАЕВ А.Н. Монобитное быстрое преобразование Фурье радиосигналов на ПЛИС .... 115
СМИРНОВ Ю.С., СЕРЕБРЯКОВ П.Б., СОКОЛОВ А.В. Структурное и алгоритмическое
обеспечение электромехатронных преобразователей .................................................................. 119
ФОКИН Л.А., ШИРЯЕВ В.И. Об анализе погрешностей интегрированной навигационной
системы и методах их оценивания ................................................................................................ 127

Серия «Образование, здравоохранение, физическая культура», выпуск 25 3
Краткие сообщения
ПОДИВИЛОВА Е.О. Сравнение минимаксного и калмановского алгоритмов оценивания
векторов состояния динамических систем .................................................................................... 135
ЩЕРБАКОВ В.П., ВОЛОВИЧ Г.И. Метод повышения точности определения частотных
характеристик технических объектов ........................................................................................... 139
ЦЫТОВИЧ П.Л., БУРМИСТРОВА М.А. Проблема поиска общих конфигура-
ций(паттернов) предметных областей, принадлежащих одному уровню абстракции ............. 142
ЛАПИН А.П., ВОЛОСНИКОВ А.С., УСАЧЕВ Ю.А., БУШУЕВ О.Ю. Выявление и систе-
матизация физических эффектов и явлений для создания перспективных преобразователей
физических величин ........................................................................................................................ 145
СИВКОВ С.И., НОВИКОВ Л.Г. Конвейерный логический идентификатор ............................ 148
КРАХМАЛЕВ Е.И. Энергосервис в системах уличного освещения: технико-экономические
аспекты ............................................................................................................................................. 150
МАЛЯВКИНА Н.С., ПЛОТНИКОВА Н.В. Автоматизация систем дозирования раствора
реагента для очистных сооружений городских водоканалов ...................................................... 154
ИЛЬИН Е.Д. Оценка возмущений в минимаксном фильтре ....................................................... 157
ЛАПИН А.П., ДРУЖКОВ А.М. Выбор модели функции преобразования вихреакустиче-
ских расходомеров .......................................................................................................................... 161
СИВКОВ С.И., НОВИКОВ Л.Г. Фазоимпульсный модулятор на основе конвейерной логи-
ческой сети ....................................................................................................................................... 165
ШАРОВ Р.Ю. Стохастическая задача о восстановлении и замене оборудования .................... 168
 Издательский центр ЮУрГУ, 2012

CONTENTS
VOYTOVICH N.I., KLYGACH D.S., KHASHIMOV A.B. mathematical Models of slot an-
tennas ............................................................................................................................................. 6
SADOV V.B. Specification of a dynamometer chart bounds at its processing ............................ 11
POLEVIK N.D., ZHDANOV B.V. Contactless protection from spurious emission of ultra-high
frequency energy input device to the ground ................................................................................ 17
KARMANOV Yu.T., ZALYATSKAYA I.I. Mathematical models of algorithms for direction
finding of radio-frequency radiation sources by phase correlation direction finders with spatial
distribution of direction finding array elements ............................................................................ 21
KAMALTDINOVA T.S. Estimation of information accuracy transformed by nonlinear method 25
NIKOLAEV A.N. Digital technologies in wideband receivers of ultra-high frequency radio
signals ............................................................................................................................................ 30
LOGINOVSKIJ O.V., MAKARENKO K.V. Development of large industrial enterprises on the
basis of geonetwork approach and mathematical models of selection assessment of new loca-
tion sites ......................................................................................................................................... 35
SHCHERBAKOV V.P., VOLOVICH G.I. Study of technical objects with the use of identifi-
cation method by simulation ......................................................................................................... 42
YAPAROVA N.M., BELOUSOV M.D., SHESTAKOV A.L. The use of regularizing algorithm
for coefficient estimation in the problem of resistive thermometers condition assessment .......... 45
OSINTSEV K.V. Parameters calibration for low temperature furnace flame with fuel agent
of a changing content .................................................................................................................... 50
KARMANOV YU.T., POVALYAEV S.V. Pullout process simulation of explorative radiofre-
quency signal from the surface of liquid and tank shells .............................................................. 55
SHELUDKO A.S., SHIRYAEV V.I. Joint use of Kalman filter and minimax filter in the as-
sessment problem of parameters for random process model ........................................................ 59
BUSHUEV O.YU., SEMENOV A.S. Experimental research of possibility to check the condi-
tion of a strain pressure transducer on the basis of analysis of its signal output ........................... 65
ALIEV M.Yu., KUZNETSOVA D.A., RYBAKOV D.Yu., SAMBUROV N.V. Antenna array
experimental model at marine navigation radar ............................................................................ 69
SEDYSHEV V.V. Physical modelling of dynamics of structured particles ................................. 73
SPITSYN V.S., SPITSYN V.V. Algorithms for temperature control in buildings ....................... 79
KAZARINOV L.S., BARBASOVA T.A. Energy efficiency anticipatory control of an enterprise .... 85
KOROVIN A.M. Analysis of approaches and program software for simulation modeling
of social and economic systems .................................................................................................... 98
DOMBROVSKY K.A., RUDNEV V.A. Intelligent systems of information exchange via USB 101
BELOUSOV M.D., SHESTAKOV A.L., YAPAROVA N.M. Estimation of eigenstate of resis-
tive thermometers .......................................................................................................................... 105
ABDULLIN V.V. Experimental network analysis of WirelessHART standard in the systems
of automatic energy management of buildings ............................................................................. 110
NIKOLAEV A.N. Monobit fast Fourier transform of radiofrequency signals in field program-
mable logic device (FPLD) ........................................................................................................... 115
SMIRNOV Yu.S., SEREBRYAKOV P.B., SOKOLOV A.V. Structural and algorithmic elec-
tro-mechatronic converters ............................................................................................................ 119
FOKIN L.A., SHIRYAEV V.I., PODIVILOVA E.O. On the measurement errors analysis
of integrated navigation system and its estimation methods ......................................................... 127
Brief reports
PODIVILOVA E.O. Comparison of minimax and kalman algorithms for estimation of dynamic
systems state vectors ..................................................................................................................... 135

Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника», выпуск 17 5
SHCHERBAKOV V.P., VOLOVICH G.I. Method for increasing of rate accuracy of frequency
response characteristics of technical objects ................................................................................. 139
TSYTOVICH P.L., BURMISTROVA M.A. Problem of a search of general configuration (pat-
terns) of subject spheres belonging to one level of abstractions ................................................... 142
LAPIN A.P., VOLOSNIKOV A.S., USACHEV Y.A., BUSHUEV O.Y. Detection and syste-
matizing of physical ratio and phenomena to develop advanced physical quantity transducers 145
SIVKOV S.I., NOVIKOV L.G. Conveyor logical identifier ........................................................ 148
KRAKHMALEV E.I. Energy servicing in the street lighting systems: engineering and econom-
ic aspects ........................................................................................................................................ 150
MALYAVKINA N.S., PLOTNIKOVA N.V. Automation of chemical solution metering sys-
tems for urban water and wastewater treatment plants .................................................................. 154
ILIN E.D. Assessment of perturbation action in minimax filter ................................................... 157
LAPIN A.P., DRUZHKOV A.M. Selection of a model for conversion function of vortex sonic
flowmeters ..................................................................................................................................... 161
SIVKOV S.I., NOVIKOV L.G. Phase-impulse modulator on the basis of conveyor logic net .... 165
SHAROV R.Yu. Stochastic problem of the reconstruction and replacement of equipment ......... 168

1
Щелевые антенны широко используются при
построении радио- и телевизионных передающих
центров, систем мобильной связи, радиолока-
ционных и радионавигационных комплексов.
Вследствие своей компактности и конструкции, не
выступающей за пределы внешних обводов носи-
теля, щелевые антенны особенно часто использу-
ются как бортовые антенны. Здесь необходимо
отметить класс печатных щелевых антенн, где ис-
пользование современных СВЧ материалов позво-
ляет проектировать микроминиатюрные антенные
системы миллиметрового диапазона волн, напри-
мер, для датчиков радиомониторинга, модулей
активных фазированных антенных решеток.
По характерным особенностям поля излуче-
ния можно выделить два типа щелевых антенн:
антенны с односторонним излучением, когда ще-
левая антенна, прорезанная в металлической пла-
стине, является элементом закрытой электродина-
мической структуры – резонатора; антенны с дву-
сторонним излучением, когда поле излучения яв-
ляется симметричным по обе стороны металличе-
ской пластины. Эти два типа щелевых антенн
имеют свои области применения, но общим для
Войтович Николай Иванович – д-р техн. наук, про-
фессор, заведующий кафедрой «Конструирование и
производство радиоаппаратуры», Южно-Уральский
государственный университет; voytovichni@mail.ru
Клыгач Денис Сергеевич – аспирант кафедры «Конст-
руирование и производство радиоаппаратуры», Южно-
Уральский государственный университет; 86kds@ mail.ru
Хашимов Амур Бариевич – канд. физ.-мат. наук, до-
цент кафедры «Конструирование и производство радио-
аппаратуры», Южно-Уральский государственный уни-
верситет; xab@kipr.susu.ac.ru
них является необходимость учета влияния толщи-
ны и удельной проводимости пластины, формы и
размеров пластины и щели. На рис. 1 представле-
ны геометрические размеры рассматриваемых ти-
пов щелевых антенн. С точки зрения электродина-
мического принципа перестановочной двойствен-
ности произвольную двустороннюю щелевую ан-
тенну можно представить в виде двух эквивалент-
ных излучателей с магнитными поверхностными
токами 1 2,ms ms
j j . Оба излучателя располагаются
симметрично по обе стороны пластины S , на-
правления токов 1 2,ms ms
j j противоположны, так как
противоположны направления векторов единич-
ной нормали n на S . В случае односторонней
щелевой антенны эквивалентный поверхностный
ток 2
ms
j отсутствует. 2
Эквивалентные поверхностные магнитные то-
ки 1 2,ms ms
j j определяются следующим образом:
 
1 0 0
2 0 0
;
,
ms
y
ms
y
E
E
    
    
j n E i
j n E i
(1)
Voytovich Nikolay Ivanovich – Doctor of Science (Engi-
neering), Head of Radio Equipment Design and Production
Department of South Ural State University; voytovich-
ni@mail.ru.
Klygach Denis Sergeevich – post-graduate student of Radio
Equipment Design and Production Department of South
Ural State University; 86kds@mail.ru.
Khashimov Amur Barievich – Candidate of Science
(Physics and Mathematics), Associate Professor of Radio
Equipment Design and Production Department of South
Ural State University; xab@kipr.susu.ac.ru.
УДК 621.396.6(07), 537.8(07)
МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЩЕЛЕВЫХ АНТЕНН
Н.И. Войтович, Д.С. Клыгач, А.Б. Хашимов
MATHEMATICAL MODELS OF SLOT ANTENNAS
N.I. Voytovich, D.S. Klygach, A.B. Khashimov
Предложены математические модели односторонних и двусторон-них щелевых ан-
тенн. Строгие электродинамические соотношения основаны на интегральных уравне-
ниях Фредгольма II рода. Показано, что применение специальной регуляризирующей
процедуры позволяет использовать эти уравнения для моделирования щелевых антенн
с очень тонкими пластинами, на которых выполнены щели.
Ключевые слова: математическая модель, интегральные уравнения, щелевая антенна.
The article proposes mathematical models of single and bilateral slot antennas. Strong
electrodynamic relations are based on Fredholm integral equations of the second kind. It is
shown that the use of a specific regulating procedure makes it possible to use these equations
to design slot antennas with tiny plates and slots on them.
Keywords: mathematical model, integral equations, slot antenna.

Математические модели щелевых антенн
где 0 0x EE i – распределение напряженности
электрического поля в щели.
В строгой электродинамической постановке
нахождение поля излучения щелевой антенны
можно сформулировать в виде интегральных
уравнений (ИУ) I и II рода. Каждое из этих урав-
нений имеет свои специфические особенности,
которые определяют выбор численных методов
решения. В частности, ИУ I рода с гиперсингуляр-
ным ядром используется для задач с идеально
проводящими незамкнутыми бесконечно тонкими
пластинами [1]. Отметим, что численное решение
таких ИУ относится к некорректным задачам ма-
тематической физики. Используя предельный пе-
реход под знаком интеграла и аппроксимацию ре-
шения функциями, удовлетворяющих условию
Мейкснера на границе пластины, можно получить
равномерную сходимость решения в классе функ-
ций, удовлетворяющих заданным требованиям
гладкости. Это требует предварительного исследо-
вания устойчивости численного метода решения
ИУ I рода, что ограничивает его применение для
пластин конечной толщины. В действительности
любые практические конструкции щелевых антенн
имеют конечные размеры толщины пластины (см.
рис. 1). Для замкнутых металлических поверхно-
стей широко используются ИУ II рода [2]:
   
 
 
exp1
grad
2
2 ,
pqs s
q q
pqS
i
ikr
p q ds
r
p
 
    
  
 
 
j n j
n H (2)
где s
j – распределение электрического поверхно-
стного тока на пластине S ; ,p q S – координат-
ные точки наблюдения и источника, соответствен-
но; 2k    ; n – вектор единичной внешней нор-
мали к S ; i
H – вектор напряженности возбуж-
дающего магнитного поля. В дальнейшем будем
предполагать, что геометрические характеристики
пластины S удовлетворяют условию непрерывно-
сти нормали n – условию Гельдера [2]:
,p q c p q

  n n (3)
где ,0 1c    – некоторые постоянные. Это усло-
вие естественным образом удовлетворяет практи-
ческим конструкциям щелевых антенн с пласти-
нами конечной толщины. Важно подчеркнуть, что
ИУ II рода очень часто используются для построе-
ния итерационных схем вида Гаусса–Зейделя, по-
следовательной верхней релаксации, что особенно
эффективно при использовании суперкомпьютер-
ных методов численного решения.
Вместе с тем необходимо отметить, что ИУ II
сложно использовать для численного исследова-
ния поля излучения щелевой антенны на плоской
пластине очень малой электрической толщины
(для 0,05kd  ). Это связано с особенностями ядра
ИУ (2), так как при малой толщине плоской пла-
стины векторное произведение в ядре ИУ стре-
мится к нулю для достаточно больших расстояний
между точками наблюдения и источника. С точки
зрения вычислительных процедур такие особенно-
сти могут приводить к неконтролируемому поведе-
нию численного решения, что требует особо тща-
тельного подхода к вычислению квадратур, кото-
рые используются для аппроксимации ядра ИУ. Эти
квадратуры следуют из общей схемы численного
решения ИУ проекционными методами.
В статье [3] показано, что для решения трех-
мерных векторных электродинамических задач
при выполнении соответствующих условий по
поляризации поля излучения и размеров щелевых
антенн возможен переход к значительно более
простым двумерным скалярным задачам. Это оз-
начает, что вместо решения ИУ (1) возможен пе-
реход к его скалярному аналогу:
     
   2
1 2 ,
2
p pqv v i
pq q
pqL
ik
j p j q H kr dl H p
r

 
n r
(4)
где v
j – распределение электрического тока на
контуре L, образованным сечением пластины S
плоскостью 0  (см. рис. 1);
 
 2
1 pqH kr – функ-
ция Ганкеля первого порядка второго рода от со-
ответствующего аргумента; pqr – радиус-вектор,
соединяющий точки наблюдения и источника;
Рис. 1. Геометрия щелевой антенны
плS
n
x
y
z
0E
xL
yL
O
d
a
x
z
d
xL
a
zd
1
ms
j
2
ms
j
n

i
H – тангенциальная к контуру L составляющая
возбуждающего магнитного поля. Для проверки
соответствия ИУ (4) условиям задачи возбуждения
узкой щели на тонкой двумерной полосе использу-
ем результаты, полученные в [4], где рассмотрено
аналитическое решение задачи рассеяния плоской
волны на бесконечно тонкой плоской полосе,
yH i . Это решение представлено в виде бесконеч-
ного ряда по функциям эллиптического цилиндра:
 
 
 
 
 
   
 
 
 
 
 
20 00
02
0 0 0
0 0
20 0
02
0 0
,2
,
,
, 2 ,
,
,
,
mm
x m
a m m
m m
m
m
m
Jc kc krH
E i Hc kc kr
Hc kc kr
ce kc ce kc
Js kc kr
Hs kc kr
Hs kc kr


 
   
  
   

 


   0 0, 2 , ,m mse kc se kc

   

(5)
где xE – напряженность электрического поля рас-
сеяния; 0H – амплитуда напряженности магнитно-
го поля возбуждающей плоской волны;
 0,mce kc  ,  0 ,mse kc  – угловые четные и не-
четные функции Матье первого рода порядка m ;
 0 0,mJc kc kr ,  0 0,mJs kc kr – производные при-
соединенных радиальных четных и нечетных
функций Матье–Бесселя;  
 2
0,mHc kc kr ,
 
 2
0,mHs kc kr – производные присоединенных ра-
диальных четных и нечетных функций Матье–
Ганкеля; 02c – расстояние между фокусами эллип-
тического цилиндра для бесконечно тонкой полосы
0 4xc L ; r , – сферические координаты точки, в
которой рассчитывается поле рассеяния.
Для численных расчетов по формуле (5) раз-
работан программный комплекс в среде MATLAB
c использованием встроенных функций, из кото-
рых необходимо особо отметить неявные циклы
вида 1:m M , когда для фиксированной верхней
границы M суммирования рядов (5) достигается
наибольшая скорость вычислений. Выбор числа
суммируемых членов ряда M производится на
основе адаптивной процедуры, когда вклад членов
ряда при суммировании не превышает заданной
относительной погрешности расчетов . Для
большинства практических задач величина
16 12
10 ...10 
  достигается для 25M  , при
этом получение меньшей погрешности не требует
значительного увеличения M . Для вычислений
функций эллиптического цилиндра используется
нормировка, предложенная в [5]. Контроль точно-
сти вычислений производится с помощью извест-
ных справочных данных [6], отметим, что относи-
тельное расхождение результатов не превышает
величины 5
10
 .
Практические конструкции щелевых антенн
имеют конечный размер d , не входящий в расчет-
ные соотношения (5), поэтому вычисление vE
носит характер эталонного (тестового) решения
для очень тонких полос. Исследуем, при каких
размерах d численное решение ИУ (4) соответст-
вует приближению бесконечно тонкой полосы. В
качестве критериев соответствия будем использо-
вать близость результатов в метрике среднеквад-
ратичного приближения и число обусловленности
cond матрицы системы линейных алгебраических
уравнений (СЛАУ), к которым редуцируется ИУ
(4). Для численного решения ИУ (4) используется
метод коллокаций с вычислением матричных эле-
ментов по квадратурным формулам Гаусса, выбор
числа узлов производится на основе адаптивной
процедуры анализа устойчивости и точности ре-
шения в зависимости от размеров и конфигурации
полосы. В частности, для большинства практиче-
ских задач выбор 8–12 узлов вполне достаточен
для обеспечения относительной погрешности чис-
ленного решения ~10–3
. Число обусловленности
квадратной матрицы СЛАУ определяется отноше-
нием наибольшего и наименьшего собственного
значения. Если это число меняется незначительно
при небольших изменениях входных данных зада-
чи и его величина не превышает 40–50, то решение
СЛАУ устойчиво [7]. Численные расчеты показы-
вают, что для 0,027 0,046d    параметр
cond имеет монотонный характер, его величина
не превышает значения 32, а среднеквадратичное
отклонение результатов численного решения ИУ
(4) и расчетов по формуле (5) для этих d имеет
четко выраженную минимальную область. На
рис. 2 приведены результаты численного модели-
рования рассеяния плоской волны на бесконечно
тонкой полосе и полосе толщиной 0,027d   .
Рис. 2. Диаграммы рассеяния на полосе: ____ – ана-
литическое решение; … – численное решение ИУ(4)

Математические модели щелевых антенн
Хорошее соответствие численного решения ИУ (4)
и аналитического решения по формуле (5) объяс-
няется относительно небольшим вкладом в общее
поле рассеяния торцевых участков полосы, так как
плотность тока v
j для этих участков очень незна-
чительна. Следовательно, для рассмотренных зна-
чений d результаты решения ИУ (4) могут быть
использованы и для случаев очень тонких полос с
высокой степенью соответствия. Принципиальное
отличие этих результатов состоит в том, что чис-
ленное решение ИУ (4) носит универсальный ха-
рактер, и его можно использовать для произволь-
ной толщины и конфигурации полосы, в то время
как расчеты по формуле (5) будут справедливы
только для случая бесконечно тонкой плоской по-
лосы.
Рассмотрим математическую модель односто-
ронней узкой щелевой антенны, выполненной на
бесконечно протяженной полосе шириной xL и
толщиной d (см. рис. 1). В [3] показано, что поле
излучения такой антенны в плоскости 0  соот-
ветствует полю излучения щелевой антенны соот-
ветствующей поляризации, выполненной на пла-
стине ограниченных размеров. В качестве тестово-
го примера будем использовать аналитическое вы-
ражение для нормированного поля излучения ще-
левого излучателя на бесконечно тонкой полосе [4]:
 
 
 
 
 
   
2 1 0 22 1
02 12
0 02 1
2 1 0 2 1 0
,0
1 ,0
,0
, 2 , .
pp
y p
p p
p p
Js kc
H i Hs kc
Hs kc
se kc se kc



 
 

  

  

(6)
Для решения ИУ (4) будем использовать уже
известный интервал изменения толщины полосы
0,027 0,046d    . Необходимо отметить, что
численное решение ИУ в силу особенностей ап-
проксимации возбуждающего поля нитью магнит-
ного тока критично к выбору радиуса этой нити.
Исходя из соображений практической реализуемо-
сти, этот радиус должен быть связан с шириной
щели a (рис. 1). Для большинства щелевых ан-
тенн этот размер не превышает 0,08 , поэтому
математическая модель рассматриваемой антенны
должна учитывать тот факт, что в функцию воз-
буждения щели необходимо ввести регуляризи-
рующую поправку в координаты расположения
нити магнитного тока, которая учитывает конеч-
ный размер a . На рис. 3 приведены нормирован-
ные диаграммы направленности (ДН) в дальней
зоне, соответствующие аналитическому решению
(6) и численному решению ИУ (4) при 2xL   .
Высокая степень соответствия результатов
показывает эффективность предложенной матема-
тической модели.
В качестве практического примера решения
двумерной задачи рассмотрим турникетную щеле-
вую антенну, которая широко используется в каче-
стве передающей антенны для излучения электро-
магнитных волн горизонтальной поляризации в
метровом диапазоне волн. Первые антенны для
передачи телевизионных сигналов, разработанные
в нашей стране и за рубежом, представляли собой
излучающие системы с квадратурным возбужде-
нием, в которых в качестве излучающих элементов
использованы, по существу, двусторонние щеле-
вые излучатели. В оригинальных работах щелевые
излучатели назывались плоскостными вибратора-
ми [4].
Математическая модель турникетной ан-
тенны, в соответствии с результатами работы
[3], представим в виде двух взаимно перпенди-
кулярных двусторонних щелевых излучателей,
каждый из которых выполнен на идеально про-
водящей полосе, бесконечно протяженной в на-
правлении, параллельном оси щели, и конечную
ширину xL в ортогональном направлении. Вве-
дем комплексные амплитуды напряжения ис-
точника: первого щелевого излучателя 1mU и
второго излучателя  2 1 exp 2m mU U i   . Ис-
пользуя решение ИУ (4) для двух ортогональных
двусторонних излучателей, рассчитаем ДН тур-
никетной щелевой антенны для размеров
0,75xL   и 0,027d   (рис. 4).
Для исследуемой турникетной антенны был
разработан экспериментальный макет и прове-
дены измерения ДН для проверки адекватности
предложенной математической модели. На рис.
4 приведены ДН в горизонтальной плоскости,
сравнение расчетной и экспериментальной ДН
показывает хорошее соответствие результатов.
Небольшие отклонения ДН можно объяснить
влиянием устройства возбуждения эксперимен-
тальной турникетной антенны и условиями про-
ведения измерений.
Рис. 3. Нормированные ДН щелевой антенны
одностороннего излучения: ____ – аналитическое
решение; … – численное решение ИУ(4)

Рис. 4. ДН турникетной щелевой антенны:
____ – численное решение ИУ(4); … – эксперимент
Необходимо отметить, что для ДН турникетной
щелевой антенны характерна асимметрия, которая
проявляется в некотором повороте ДН относи-
тельно плоскостей, в которых расположены орто-
гональные излучатели. Угол поворота ДН зависит
от отношения xL  , направление поворота проис-
ходит в сторону излучателя с отстающей фазой
возбуждающего источника. Чем больше это отно-
шение, тем больше угол поворота. Для рассматри-
ваемого случая угол поворота ДН составляет 12º и
направлен против часовой стрелки. Такое поведе-
ние ДН можно объяснить влиянием особенностей
фазового распределения поля излучения [8]. При
ориентации антенной системы в конкретном месте
установки и с учетом рельефа местности точный
расчет ДН позволит оптимизировать зону обслу-
живания радиосистемы.
Выводы
1. Построение математических моделей щеле-
вых антенн с односторонним и двусторонним из-
лучением с использованием ИУ II рода позволяет
исследовать практические варианты антенн с ко-
нечной толщиной и произвольной конфигурацией
пластин. Применение принципов соответствия
двумерных и трехмерных электродинамических
задач резко расширяет возможности матема-
тического моделирования сложных антенных сис-
тем. Сравнение полученных результатов с извест-
ными тестовыми решениями показывает высокую
эффективность и универсальность предложенных
математических моделей.
2. Для турникетной антенны, состоящей из
двух ортогональных щелевых излучателей, распо-
ложенных на идеально проводящей поверхности,
происхо-дит поворот амплитудной ДН, угол по-
ворота зависит от отношения xL  .
Литература
1. Пименов, Ю.В. Линейная макроскопическая
электродинамика / Ю.В. Пименов. – Долгопруд-
ный: Издат. дом «Интеллект», 2008. – 536 c.
2. Ильинский, А.С. Математические модели
электродинамики / А.С. Ильинский, В.В. Кравцов,
А.Г. Свешников. – М.: Высш. шк., 1991. – 224 с.
3. Поле излучения двусторонней щелевой ан-
тенны / Н.И. Войтович, Д.С. Клыгач, А.Б. Хаши-
мов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные
технологии, управление и радиоэлектроника». –
2012. – Вып. 16. – № 6(282). – С. 135–141.
4. Айзенберг, Г.З. Антенны УКВ / Г.З. Айзен-
берг, В.Г. Ямпольский, О.Н. Терешин. – М.: Связь,
1977. – 382 c.
5. О волновых функциях эллиптического ци-
линдра / Н.П. Бруснецов // Вестник Московского
университета. Cерия «Математика». – 1954. –
№ 9. – С. 19–32.
6. Янке, Е. Специальные функции / Е. Янке,
Ф. Эмде, Ф. Леш. – М.: Наука, 1968. – 344 c.
7. Ланкастер, П. Теория матриц / П. Ланка-
стер. – М.: Наука, 1978. – 280 c.
8. Клыгач, Д.С. Влияние фазовых диаграмм
направленности щелевых излучателей на диа-
грамму турникетной щелевой антенны /
Д.С. Клыгач, Н.И. Войтович // Вестник ЮУрГУ.
Серия «Компьютерные технологии, управление и
радиоэлектроника». – 2011. – Вып. 13. – № 2(219).
– С. 34–39.
Поступила в редакцию 15 июля 2012 г.

1
Введение. Одной из ключевых задач при сква-
жинной добыче нефти является диагностика состоя-
ния скважины и добывающего оборудования. Самым
распространенным способом диагностики является
анализ динамограмм, т.е. зависимостей нагрузки на
полированном штоке от перемещения штока при его
полном двойном ходе. Внутри динамограммы есть
участки, характеризующие каждую фазу движения
полированного штока. Возможные варианты дина-
мограмм с разными дефектами оборудования приве-
дены, например в [1].
Автоматизированная обработка динамограм-
мы может производиться на основе двух различ-
ных подходов к решению этой задачи. При первом
подходе на основе всей динамограммы целиком
получаем какое-то значение критерия, по которо-
му судим о дефектах скважины и оборудования.
Такой подход применялся, например в [2]. При
втором подходе вся динамограмма разбивается на
отдельные участки, и дефекты определяются по
поведению динамограммы на этих участках. Такой
подход описан в [3]. Автору представляется более
интересным второй подход, так как обработка всей
динамограммы целиком может представлять
большую вычислительную и алгоритмическую
задачу.
При формализации этого подхода главной за-
дачей будет являться процедура определения точек
Садов Виктор Борисович – канд. техн. наук, доцент
кафедры систем управления, Южно-Уральский государ-
ственный университет; sv_2005@inbox.ru
начала/конца характерных участков динамограммы.
На границах участков из-за изломов (или перехо-
дов) меняется спектр сигнала. Это можно использо-
вать для локализации участков динамограммы. Для
этой цели можно применить вейвлетное преобразо-
вание сигналов, так как сама динамограмма пред-
ставляет собой периодическую кривую.
Любую функцию ( )s t , принадлежащую гиль-
бертовому пространству, можно разложить в ряд
по базису ( )mk t [4,5]:
,
( ) ( )mk mk
m k
s t s t


  , (1)
где mks – проекции сигнала на ортогональный
базис функций. Они могут быть определены ска-
лярным произведением по формуле2
( ), ( ) ( ) ( )mk mk mks s t t s t t dt


     . (2)
Вейвлет-функция ( )t должна удовлетворять
следующим требованиям [6]: ее интеграл
( ) 0t dt


   ; сама функция принадлежит про-
странству Гильберта 2
[ ]L R ( 2
( )t dt


  конечен).
Victor Borisovich Sadov – Candidate of Science
(Engineering), associate professor of Control Systems
Department of South Ural State University; sv_2005@inbox.ru
УДК 622.276: 519.6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ УЧАСТКОВ ДИНАМОГРАММЫ
ПРИ ЕЕ ОБРАБОТКЕ
В.Б. Садов
SPECIFICATION OF A DYNAMOMETER CHART BOUNDS
AT ITS PROCESSING
V.B. Sadov
Рассматривается задача определения границ участков динамограммы на основе
обработки вейвлетных преобразований сигналов.
Проводится анализ различных вариантов базисных функций и их пригодность для
локализации границ участков динамограмм.
Сформулированы принципы нового метода определения границ характерных уча-
стков динамограммы.
Ключевые слова: динамограмма, обработка.
The article considers a problem of specification of a dynamometer chart bounds on the
basis of wavelet signal transformation processing. Different variants of basic functions and
their availability to localize dynamometer charts bounds are analyzed. Principles of a new me-
thod of specification of a dynamometer chart bounds are formulated.
Keywords: dynamometer chart, processing.

В.Б. Садов
Вейвлетный базис функционального про-
странства образуется путем масштабных преобра-
зований и сдвигов порождающего вейвлета ( )t :
1/2
( , , ) [( ) / ], , , 0,a b t a t b a a b R a

     
2
( ) ( )t L R  . (3)
Анализ согласно (3) начинаем со значения
1a  в сторону увеличения его значения. Для на-
шего случая ищем проекцию только порождающе-
го вейвлета для всех значений сдвигов b . Смот-
рим поведение этой функции. Вблизи точек пере-
гиба эта функция резко меняет свое значение. Это
и можно использовать в качестве индикатора сме-
ны участка динамограммы.
Варианты выбора порождающих вейвлетов
и результаты моделирования
В качестве примера рассмотрим развернутую
динамограмму, изображенную на рис. 1 (величины
по осям условные). Ось перемещений дана в норми-
рованном виде в диапазоне от 0 до 1 (0–0,5 – движе-
ние полированного штока вверх, 0,5–1 – вниз).
Рассмотрим варианты выбора порождающего
вейвлета, так как от него зависят алгоритмы опреде-
ления точек перегиба динамограммы. Автором было
рассмотрено большое количество таких функций,
некоторые из которых приведены в данной статье.
В качестве порождающего вейвлета примем
функцию
15
( ) cos(62,8 )
t
t e t
 
    , (4)
где выбор коэффициентов функции обусловлен
следующим: условное суммарное время всех уча-
стков принимаем равным единице; нас будут ин-
тересовать составляющие на порядок большие,
чем частота движения полированного штока; зату-
хание порождающей функции на границах ее пе-
риода задаем большим 3. График этой функции
показан на рис. 2.
На рис. 3 приведены графики развернутой ди-
намограммы и функции bs (масштабированные
значения).
Видно, что график bs по форме практически
повторяет график динамограммы и на нем заметны
колебания, характерные для порождающей функ-
ции. Это говорит о слабой пригодности порож-
дающего вейвлета класса (4) для определения гра-
ниц участков.
Рассмотрим порождающий вейвлет:
0, 0;
1, 0 0,02;
( )
1/ 3, 0,02 0,08;
0, 0,08.
t
t
t
t
t

  
  
  
 
(5)
График этой функции приведен на рис. 4, а на
рис. 5 приведены масштабированные графики ис-
ходной динамограммы и функции bs .
Из рис. 5 видно, что вейвлет (5) можно ис-
Рис. 1. Динамограмма развернутая Рис. 2. График порождающей функции
Рис. 3. Значения коэффициента разложения
и исходная динамограмма
Рис. 4. График порождающей функции

Определение границ участков динамограммы при ее обработке
пользовать для определения точек перегиба дина-
мограммы. Подобными свойствами обладает и
порождающий вейвлет:
0, 0;
50 , 0 0,02;
( ) 1, 0,02 0,04;
0,75, 0,04 0,08;
0, 0,08.
t
t t
t t
t
t

   

   
  


(6)
График этой функции приведен на рис. 6, а на
рис. 7 приведены масштабированные графики ис-
ходной динамограммы и функции bs .
Для сравнения на рис. 8 приведены данные по рас-
чету с использованием линейной модели. Коэффи-
циенты модели получались с использованием ме-
тода наименьших квадратов. При этом для расчета
коэффициентов брался интервал по оси x
[ 0,025; 0,025]b b  с шагом 0,005. Далее вводил-
ся аналогично вейвлет-преобразованию сдвиг по
всей оси от 0 до 1.
Из всех этих зависимостей видно, что точки
начала участков здесь можно определить как точ-
ки локальных максимумов/минимумов коэффици-
ентов вейвлет-разложения или точки пересечения
оси абсцисс с графиком 1( )a b после прохождения
локального максимума/минимума. Интересным
вариантом является комбинация использования
Рис. 9. Значения коэффициента 1a разложения
типа 0 1y a a x   по вейвлету (5)
линейной модели и вейвлет-аппроксимации. На
рис. 9 приведены графики исходной динамограммы
и коэффициента 1a модели 0 1y a a x   , полу-
ченной в результате обработки коэффициентов
вейвлет-разложения типа (5).
Из графиков видно, что началом интервала
здесь является точка пересечения оси абсцисс и
зависимости 1( )a b после локального максиму-
ма/минимума.
Таким образом, задача свелась лишь к выбору
зоны нечувствительности при фиксации локаль-
ных максимумов/минимумов.
Рис. 5. Значения коэффициента разложения и исходная
динамограмма
Рис. 6. График порождающей функции
Рис. 7. Значения коэффициента разложения и исходная
типа 0 1y a a x   и исходная динамограмма

В.Б. Садов
Общий алгоритм получения границ
участков динамограммы
Можно вывести общий алгоритм получения
границ интервалов.
1. Всю развернутую диаграмму заполняем по
горизонтали точками b с каким-либо шагом
(можно равномерной сеткой).
2. Для каждой точки исходной динамограм-
мы, используя порождающий вейвлет ( )t со-
гласно (5), вычисляем значения коэффициента
разложения в ряд bs по формуле (2).
3. Для каждой точки исходной динамограм-
мы, используя модель вида 0 1y a a x   , вычис-
ляем зависимость 1( )a b по методу, например,
наименьших квадратов.
4. Для каждой точки коэффициента bs , ис-
пользуя модель вида 0 1y a a x   , вычисляем
зависимость 1 ( )Sa b по методу, например, наи-
меньших квадратов.
5. Путем анализа поведения функций bs ,
1( )a b и 1 ( )Sa b определяем точки начала участков.
Примечание: так как вейвлет-функция доста-
точно быстро затухает, вместо интеграла на беско-
нечном отрезке из (2) можно использовать конеч-
ный отрезок.
Для анализа поведения функции bs можно
предложить следующую последовательность дей-
ствий:
1. Вычисляем точки максимума maxs и мини-
мума mins функции bs на диапазоне [0;1]b .
2. Поскольку maxs и mins имеют разные знаки,
то в качестве зоны нечувствительности можно ис-
пользовать зону min max[ ; ]s s  , (0;1) . Смотрим
точки пересечения кривой bs с прямыми maxs и
mins . Между ними должна находиться точка ло-
кального максимума/минимума. Она является пре-
тендентом на точку начала участка.
3. По значению абсциссы и ординаты претен-
дента и значению этих координат ближайших пре-
тендентов делается вывод о правильности опреде-
ления точки начала участка. Для этого несложно
сформировать какой-либо алгоритм фиксации точ-
ки начала каждого участка с учетом поведения и
значений точек исходной динамограммы при этом
значении абсциссы b .
4. Если алгоритм фиксации точек дает невер-
ный результат, то меняем зону нечувствительно-
сти (меняем значение  ) и продолжаем алгоритм с
действия 2.
Для анализа поведения коэффициентов раз-
ложения функций 1( )a b и 1 ( )Sa b можно предло-
жить следующую последовательность действий.
1. Вычисляем точки максимума maxa и мини-
мума mina функции 1( )a b на диапазоне [0;1]b .
2. Поскольку maxa и mina имеют разные зна-
ки, то в качестве зоны нечувствительности можно
использовать зону min max[ ; ]a a  , (0;1) . Смот-
рим точки пересечения кривой 1( )a b с прямыми
maxa и mina . Между ними должна находиться
точка локального максимума/минимума. Точка
пересечения с абсциссой после локального макси-
мума/минимума – претендент на точку начала уча-
стка. Надо также следить, пересекают ли линии
зависимости 1( )a b слева и справа от точки ло-
кального максимума/минимума ось абсцисс.
3. По значению абсциссы и ординаты претен-
дента и значению этих координат ближайших пре-
тендентов делается вывод о правильности опреде-
ления точки начала участка.
4. Если алгоритм фиксации точек дает невер-
ный результат, то меняем зону нечувствительно-
сти (меняем значение  ) и продолжаем алгоритм с
действия 2.
Проверка одного алгоритма
на модельных примерах
Рассмотрим работу алгоритма при
использовании функции 1( )a b , полученной на
основе обработки результатов линейной
аппроксимации функции bs , использующей
порождающий вейвлет (5). Примерный вид такой
обработки графически показан на рис.10.
Рис. 10. Результаты обработки динамограммы
(определение границ участков)
Здесь штриховкой показаны участки выхода
графика 1( )a b за границы зоны нечувствительно-
сти, а линиями – точки-претенденты на начало
участка (потенциально существенные точки пере-
гиба). Из графика видно, что эти точки получают-
ся с некоторой (хотя и вполне допустимой) по-
грешностью. Это связано с конечностью импульса
порождающей функции (рис. 10) и сглаживанию
благодаря используемому методу наименьших
квадратов (для вычисления коэффициента 1a ис-
пользовался участок [ 0,025; 0,025]b b  ).

Определение границ участков динамограммы при ее обработке
Вообще говоря, точки развернутой динамо-
граммы снимает какое-либо цифровое устройство
(обычно микроконтроллер), поэтому можно ис-
пользовать быстрые цифровые алгоритмы, но в
данном случае это несущественно, так как динамо-
граммы не обрабатываются на контроллере в ре-
альном масштабе времени.
Рассмотрим развернутую динамограмму, изо-
браженную на рис. 11 (величины по осям услов-
ные). Ось перемещений дана в нормированном
виде в диапазоне от 0 до 1. Эта динамограмма не
является стандартной и составлена для случая уда-
ра плунжера внизу и большого давления газа у
приема насоса. Форма динамограммы была немно-
го искажена, имитируя реальные условия съема
динамограммы.
На рис. 12 приведены масштабированные
графики исходной динамограммы и функции bs ,
полученной с использованием вейвлета (5).
На рис. 13 приведены графики исходной ди-
намограммы и коэффициента 1a модели
0 1y a a x   , полученной в результате обработки
коэффициентов вейвлет-разложения типа (5).
Результаты обработки динамограммы по опи-
санному ранее алгоритму приведены на рис. 14.
Из рис. 14 видно, что точка, соответствующая
обратному выбегу кривой динамограммы (третья
слева вертикальная линия), может быть получена
как точка участка. Здесь надо учитывать:
– предполагаемый номер участка;
– значение усилия на штоке в начале и конце
предполагаемого участка;
– общий диапазон изменения усилия на пред-
полагаемом участке;
– общий диапазон усилий динамограммы.
Несложно сформировать набор таких правил,
характерных для каждого участка.
Примечание: так как возможны выбросы то-
чек динамограммы из-за сбоев аппаратуры и тех-
нических причин (легкое заедание механизмов и
пр.), то для логического исследования полученных
точек лучше всего использовать не исходную ди-
намограмму, а ее усредненную кривую. Она отра-
жает все особенности исходной динамограммы, но
является немного сглаженным ее вариантом. На
рис. 15 приведены графики исходной и усреднен-
ной динамограммы, каждая точка которой есть
среднее арифметическое точек исходной динамо-
граммы ( )G s на интервале [ 0,025; 0,025]s s  .
При снятии динамограммы, например, микрокон-
троллером с АЦП, исходная динамограмма, в от-
личие от показанной на рис. 15, будет еще и за-
шумлена. Усреднение уменьшит величину шума.
Рис. 11. Динамограмма развернутая Рис. 12. Значения коэффициента разложения
типа 0 1y a a x   по вейвлету (5) и исходная
Рис. 14. Результаты обработки динамограммы
(определение границ участков)

В.Б. Садов
Рис. 15. Исходная и усредненная динамограммы
1. Мищенко, И.Т. Скважинная добыча нефти:
учебн. пособие для вузов / И.Т. Мищенко. – М.:
ФГУП Изд-во «Нефть и газ» РГУ нефти и газа
им. И.М. Губкина, 2003. – 816 с.
2. Тагирова, К.Ф. Автоматизация управления
технологическим процессом добычи нефти из ма-
лодебитных скважин на основе динамических мо-
делей: автореф. дис. … д-ра техн. наук / К.Ф. Та-
гирова. – Уфа: ГОУ ВПО Уфимский гос. авиаци-
онный техн. ун-т, 2008. – 32 с.
3. Светлакова, С.В. Информационно-
измерительная система динамометрирования
скважин, оборудованных штанговыми глубинны-
ми насосами: автореф. дис. … канд. техн. наук /
С.В. Светлакова. – Уфа: Уфимский государствен-
ный нефтяной технический университет, 2008. –
16 с.
4. Новиков, Л.В. Основы вейвлет-анализа сиг-
налов: учеб. пособие / Л.В. Новиков. – СПб.: ИАнП
РАН, 1999. – 152 с.
5. Петухов, А.П. Введение в теорию базисов
всплесков: учеб. пособие / А.П. Петухов. – СПб:
Изд-во СПбГТУ, 1999. – 132 с.
6. Давыдов, А.В. Лекции. Тема 19. Основы
вейвлет-преобразования сигналов / А.В. Давыдов. –
www.prodav.narod.ru.
Поступила в редакцию 5 сентября 2012 г.

1
Введение
Ключевой проблемой разработки и эксплуата-
ции промышленных сверхвысокочастотных (СВЧ)
установок является защита обслуживающего персо-
нала от побочного электромагнитного излучения.
Особенно остро эта проблема стоит в СВЧ установ-
ках, имеющих технологические отверстия или зазо-
ры между апертурой излучателя и обрабатываемым
объектом. Например, в СВЧ-установках для обра-
ботки почвы [1, 2] принципиально необходим зазор
между перемещаемым излучателем и почвой. В та-
ких установках уменьшение уровня побочного излу-
чения достигается размещением вокруг излучателя
поглощающего материала [1], что приводит к росту
габаритов и массы устройства ввода, а при его работе
на больших мощностях к значительным потерям
мощности и разогреву поглотителя.
В качестве защитного устройства можно ис-
пользовать бесконтакные замыкатели электромаг-
нитного поля, которые широко используются в
классической СВЧ технике: в фланцевых соедине-
Полевик Николай Дмитриевич – канд. техн. наук,
доцент кафедры автоматизации с.-х. производства, Че-
лябинская государственная агроинженерная академия;
poleviknd @mail.ru
Жданов Борис Викторович – канд. техн. наук, доцент
кафедры конструирования и производства радиоаппара-
туры, Южно-Уральский государственный университет;
borisz@irbox.ru
ниях волноводов [3], во вращающихся СВЧ пере-
ходах, в дверцах бытовых СВЧ печей. Принцип их
действия основан на трансформации сопротивле-
ний в линии передачи, в частности, переноса за-
мыкания на вход отрезка полуволновой коротко-
замкнутой линии – дроссельные замыкатели.
Практическое применение таких замыкателей свя-
зано с использованием однородной линии передач
с металлическими проводниками и малым зазором
менее λ/16 , где λ – длина электромагнитной волны
[3]. Однако в СВЧ установках величина этого за-
зора может достигать λ/4, а проводниками линии
передачи может быть металл и диэлектрик с варь-
ируемыми диэлектрическими характеристиками.
Отсюда вытекает задача данной работы – оценить
эффективность работы дроссельных замыкателей
СВЧ поля в устройстве ввода СВЧ-энергии в поч-
ву при изменении в широких пределах: влажности
почвы, технологического зазора между излучате-
лем и почвой и длины ЭМВ.2
Nikolay Dmitrievich Polevik – Candidate of Science
(Engineering), associate professor of the Department of
Agrarian Production of Chelyabinsk State Agrarian
Engineering Academy; poleviknd @mail.ru
Boris Viktorovich Zhdanov – Candidate of Science (Engi-
neering), associate professor of Radio Equipment Design
and Production Department of South Ural State University;
borisz@irbox.ru
УДК 533.9.082.74:631.3
БЕСКОНТАКТНАЯ ЗАЩИТА ОТ ПОБОЧНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
УСТРОЙСТВ ВВОДА СВЧ-ЭНЕРГИИ В ПОЧВУ
Н.Д. Полевик, Б.В. Жданов
CONTACTLESS PROTECTION FROM SPURIOUS EMISSION
OF ULTRA-HIGH FREQUENCY ENERGY INPUT DEVICE
TO THE GROUND
N.D. Polevik, B.V. Zhdanov
Показано, что введение в конструкцию торцевого экрана рупорного излучателя
СВЧ-энергии, работающего на почву через воздушный промежуток, полого четверть-
волнового выступа обеспечивает десятикратное уменьшение плотности потока мощно-
сти побочного излучения в широких диапазонах изменения влажности почвы, высоты
подвеса излучателя над ней и длины электромагнитной волны.
Ключевые слова: электромагнитная энергия, сверхвысокая частота, электромагнитное
излучение, электромагнитная волна, побочное излучение, почва.
The article shows that inducing of a cored quarter-wave projection into an end shield of a
horn-type ultra-high frequency energy radiator acting to the ground through air space provides
tenfold density decrease of spurious emission power flow in a wide range of changes in water
content of soil, the height of suspension of radiator and the length of electromagnetic wave.
Keywords: electromagnetic energy, ultra-high frequency, electromagnetic radiation, electro-
magnetic wave, spurious emission, soil.

Методы и результаты исследований
Для решения поставленной задачи использо-
вались методы экспериментальных исследований
и компьютерного моделирования.
В качестве излучателя была использована
рупорная антенна с размерами раскрыва 0,6 × 0,6
м. Дроссельный замыкатель был реализован за
счет расположения по периметру раскрыва замк-
нутых на конце волноводных направляющих сис-
тем полуволновой длины, образованных торце-
вым экраном с размерами 1,08 × 1,08 м, содер-
жащим полый выступ П-образного сечения, и
поверхностью почвы [2,4] (см. рис. 1). А для
оценки эффективности работы дроссельного за-
мыкателя был изготовлен аналогичный экран, не
содержащий этот выступ.
При этом расстояние от края раскрыва излу-
чателя до начала выступа (а), ширина (b) и высота
выступа (h), а также расстояние от края экрана до
выступа (с) были выбраны равными 8 см, что со-
ставило примерно четверть длины волны λ, на ко-
торой проводились экспериментальные исследо-
вания. Следует отметить, что длина волны типа
Н01 в волноводе, широкими стенками которого
являются торцевой экран и почва Вλ , несколько
больше λ, однако, отличие не велико, так как в
реальных устройствах, размеры раскрыва излуча-
теля, а следовательно, и критическая длина волны
колебаний Н01 велики по сравнению с λ. Рекомен-
дации по выбору вышеуказанных размеров эле-
ментов конструкции экрана могут быть получены
по результатам исследований зависимости эффек-
тивности его работы от λ.
Устройство ввода СВЧ-энергии располагалось
над специально созданным «земляным каналом» с
размерами 2×2×1 м. Исследовались зависимости
уровня излучения из промежутка излучатель –
почва от её влажности (WП) и высоты подвеса из-
лучателя над ней (Н) для трех устройств ввода:
рупорный излучатель, не содержащий торцевого
экрана, и рупорные излучатели, содержащие тор-
цевые экраны с полым выступом и без него.
Уровень побочного излучения определялся с
использованием измерительной системы, состоя-
щей из антенны П6-23А и измерителя мощности
М3-51. Измерительная антенна располагалась в
плоскости ортогональной плоскости раскрыва ру-
порного излучателя на расстоянии от центра его
раскрыва, равном 0,54 м (вплотную к почве и тор-
цевому экрану). Эксперименты проводились на
частоте настройки излучателя 890 МГц. Методика
экспериментальных исследований приведена в
работе [2].
Путем трехмерного компьютерного модели-
рования была построена исследовательская уста-
новка и проведены исследования трех моделей
устройств ввода, соответствующих устройствам,
используемым в экспериментальных исследовани-
ях: рупорный излучатель, не содержащий торцево-
го экрана, и рупорные излучатели, содержащие
торцевые экраны с полым выступом и без него.
Рассчитывались модули коэффициентов передачи
S1,2 со входа рупорного излучателя на выход изме-
рительной рупорной антенны при различной влаж-
ности почвы и высоте подвеса излучателя над ней.
Расчетные зависимости модуля S12 для трех моде-
лей устройств при WП = 22 % приведены на рис. 2.
Для сравнительной оценки эффективности
работы торцевых экранов введем коэффициенты:
К = 20 lg , К = 20 lg и К = 20 lg (где u0,
u1, u2 – уровни побочного излучения рупорного
излучателя, не содержащего торцевого экрана,
содержащего торцевые экраны без полого выступа
и содержащего полый выступ соответственно).
На рис. 3 приведены графики расчетных и
экспериментальных зависимостей коэффициентов
К1 (графики 1 и 3) и К2 (графики 2 и 4) от высоты
подвеса излучателя над почвой (WП = 22 %).
Были выполнены расчеты частотных характе-
ристик трех моделей устройств ввода при различ-
ных высотах подвеса и влажности почвы. Эффек-
тивность работы торцевого экрана с полым высту-
пом в полосе частот определялась по усредненно-
му коэффициенту К3 (рис. 4). Усреднение прово-
дилось по полученным его значениям в диапазоне
рабочих высот подвеса излучателя 2–8 см.
Полученная частотная характеристика пока-
зывает, что введение полого четвертьволнового
выступа в торцевой экран обеспечивает десяти-
кратное снижение плотности потока мощности
побочного излучения в широкой полосе частот
Рис. 1. Устройство ввода СВЧ-энергии в почву

Бесконтактная защита от побочных излучений устройств ввода СВЧ-энергии в почву
Рис. 2. Графики зависимости модуля коэффициента передачи S1,2
от высоты подвеса над почвой различных моделей устройств ввода:
1 – торцевой экран отсутствует; 2 – торцевой экран не содержит полого
выступа; 3 – торцевой экран содержит полый выступ
Рис. 3. Графики 1 и 2 – расчетные,
3 и 4 – экспериментальные зависимости
Рис. 4. Частотная зависимость коэффициента К3 (WП = 22 %)

860–935 МГц, составляющей 8,3 % от средней час-
тоты рабочего диапазона частот. Максимальное
ослабление побочного излучения (17 дБ) прихо-
дится на частоту 925 МГц (λ/4 = 32 см), что позво-
ляет сделать вывод о целесообразности использо-
вания для расчета элементов конструкции торце-
вого экрана длину электромагнитной волны в сво-
бодном пространстве.
Расчетные и экспериментальные зависимости
усредненного коэффициента К3 от влажности поч-
вы представлены на рис. 5. Приведенные данные
показывают, что устройство ввода с торцевым эк-
раном, содержащим полый выступ, эффективно
ослабляет уровень побочного излучения в широ-
ком диапазоне изменения влажности почвы.
Рис. 5. Зависимость коэффициента К3
от влажности почвы
Выводы
Экспериментальными исследованиями и ком-
пьютерным моделированием показано, что введе-
ние в конструкцию торцевого экрана рупорного
излучателя СВЧ-энергии, работающего на почву
через воздушный промежуток полого четвертьвол-
нового выступа, обеспечивает эффективное, в преде-
лах 10 дБ, уменьшение уровня побочного излучения
в широких диапазонах изменения частоты электро-
магнитных колебаний, влажности почвы и высоты
подвеса излучателя над ней, вплоть до одной чет-
вертой длины излучаемой электромагнитной волны.
Предложенное техническое решение позволя-
ет повысить безопасность работы СВЧ-установок,
имеющих технологические зазоры между излуча-
телем СВЧ-энергии и обрабатываемым объектом.
1. Шустов, В.И. Определение основных пара-
метров автономной мобильной СВЧ-установки
для борьбы с сорной растительностью: дис. …
канд. техн. наук / В.И. Шустов. – Зерноград:
ВНИПТИМЭСХ, 1987. – 220 с.
2. Полевик, Н.Д. Методы и средства борьбы с
сорной растительностью с использованием им-
пульсных СВЧ-излучений: дис. … канд. техн. наук /
Н.Д. Полевик. – Челябинск: ЧГАУ, 2007. – 218 с.
3. Ширман Я.Д. Радиоволноводы и объемные
резонаторы / Я.Д. Ширман. – М.: Гос. изд. лите-
ратуры по вопросам связи и радио, 1959. – 380 с.
4. А.с. № 1693737 А1, А01М 21//00 (СССР).
Устройство ввода СВЧ-энергии в почву /
Ф.Я. Изаков, Н.Д. Полевик, Б.В. Жданов. – Опубл.
22.07.1991, БИ № 31.
Поступила в редакцию 7 сентября 2012 г.

вестник южно уральского-государственного_университета._серия_компьютерные_технологии,_управление,_радиоэлектроника_№3_2012

вестник южно уральского-государственного_университета._серия_компьютерные_технологии,_управление,_радиоэлектроника_№3_2012

Recommended

Recommended

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (20)

Similar to вестник южно уральского-государственного_университета._серия_компьютерные_технологии,_управление,_радиоэлектроника_№3_2012

Similar to вестник южно уральского-государственного_университета._серия_компьютерные_технологии,_управление,_радиоэлектроника_№3_2012 (20)

More from Иван Иванов

More from Иван Иванов (20)

вестник южно уральского-государственного_университета._серия_компьютерные_технологии,_управление,_радиоэлектроника_№3_2012