Научная статья на тему 'МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАДИУСА ЗОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДОСТУПНОСТИ ИСТОЧНИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН С ЗАДАННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ СПЕКТРА ИЗОТРОПНО ИЗЛУЧАЕМОГО СИГНАЛА'

МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАДИУСА ЗОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДОСТУПНОСТИ ИСТОЧНИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН С ЗАДАННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ СПЕКТРА ИЗОТРОПНО ИЗЛУЧАЕМОГО СИГНАЛА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
110
41
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РАДИУС ЗОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДОСТУПНОСТИ / КОЛЬЦЕВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА / МНОЖИТЕЛЬ ОСЛАБЛЕНИЯ ТРАССЫ / ТЕМПЕРАТУРНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ВХОДА АНТЕННЫ / ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКТОР

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Попов О.В., Тумашов А.В., Борисов Г.Н., Коровин К.О.

Актуальность. Планирование ВЧ-радиосвязи поверхностными волнами в конечном счете состоит в определении соотношения сигнал/шум на входах приемников каждой радиолинии. Если это соотношение выше минимально допустимого, делается вывод о возможности функционирования анализируемой радиолинии в системе радиосвязи. Можно ожидать, что процесс планирования существенно упростится, если для каждой радиостанции определять радиус зоны электромагнитной доступности (РЗЭМД) по поверхностной волне. Таким образом, задача разработки методики инженерного расчета РЗЭМД является актуальной и практически важной. Цель. Создание методики оценки для инженерных расчетов РЗЭМД источника поверхностных волн с заданной плотностью спектра изотропно излучаемого сигнала. Результаты. Разработана методика расчета РЗЭМД. Предложен общий подход к определению предельной длины радиолиний поверхностных волн, основанный на введении понятия «технический фактор радиолинии». Практическая значимость. Построены номограммы для определения РЗЭМД. Предложена аппроксимация зависимости максимальной температуры внешних шумов от частоты в ВЧ-диапазоне аналитическим выражением. Разработана и представлена в виде графика частотная зависимость температурного коэффициента входа антенны ШТ4Н81. Показана возможность применения предлагаемой методики для решения практических задач на примере расчета РЗЭМД радиостанции TTR-2101M для моноимпульсного пеленгатора с кольцевой антенной решеткой из восьми элементов типа ШТ4Н81.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Попов О.В., Тумашов А.В., Борисов Г.Н., Коровин К.О.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

METHOD FOR CALCULATING THE RADIUS OF AN ELECTROMAGNETIC AVAILABILITY ZONE BASED ON A SURFACE WAVE SOURCE WITH A GIVEN SPECTRUM DENSITY OF AN ISOTROPICALLY EMITTED SIGNAL

Thematic justification. When planning HF radio communication using surface waves, it is necessary to determine the signal-to-noise ratio at the inputs of each radio link receiver. Given a sufficiently high ratio, a conclusion can be drawn concerning the effective functionality of the analyzed radio link in a radio communication system. The planning process will be significantly simplified if the radius of the electromagnetic availability zone (REAZ) can be defined for surface waves at each radio station. Thus, the task of developing a methodology for engineering calculation of REAZ is relevant and practically important. Goal. To develop an estimating technique for engineering calculations of a REAZ based on a surface wave source with a given isotropically emitted signal spectrum density. Results. A technique for calculation of the radius of the electromagnetic accessibility zone was developed. A general approach for determining the limiting length of radio links of surface waves is proposed, based on the introduced "technical factor of a radio link" concept. Practical implications. Nomograms for determining the radius of an electromagnetic accessibility zone were constructed. The dependence of the maximum temperature of external noise on frequency in the HF range can be approximated using an analytical expression. The developed frequency dependence of the temperature coefficient of the input of an ShT4N81 antenna is presented in a graphical form. The feasibility of using the proposed technique for solving practical problems is demonstrated on the example of calculating the radius of the electromagnetic accessibility zone of a TTR-2101M radio station for a monopulse direction finder with a ring antenna array consisting of eight elements of the ShT4N81 type.

Текст научной работы на тему «МЕТОДИКА РАСЧЕТА РАДИУСА ЗОНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ДОСТУПНОСТИ ИСТОЧНИКА ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН С ЗАДАННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ СПЕКТРА ИЗОТРОПНО ИЗЛУЧАЕМОГО СИГНАЛА»

Научная статья УДК 621.396.75

DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-3-72-79

Сс<

Методика расчета радиуса зоны электромагнитной доступности источника поверхностных волн с заданной плотностью спектра изотропно излучаемого сигнала

Олег Вениаминович Попов1, ov.popov@mail.ru Андрей Витальевич Тумашов2, ice47reg@yandex.ru Георгий Николаевич Борисов1, georgiiborisov@gmail.com Константин Олегович Коровин2 konstkor@mail.ru

1ООО «Специальный Технологический Центр»,

Санкт-Петербург, 195220, Российская Федерация 2Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. М.А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, 193232, Российская Федерация

Аннотация: Актуальность. Планирование ВЧ-радиосвязи поверхностными волнами в конечном счете состоит в определении соотношения сигнал/шум на входах приемников каждой радиолинии. Если это соотношение выше минимально допустимого, делается вывод о возможности функционирования анализируемой радиолинии в системе радиосвязи. Можно ожидать, что процесс планирования существенно упростится, если для каждой радиостанции определять радиус зоны электромагнитной доступности (РЗЭМД) по поверхностной волне. Таким образом, задача разработки методики инженерного расчета РЗЭМД является актуальной и практически важной. Цель. Создание методики оценки для инженерных расчетов РЗЭМД источника поверхностных волн с заданной плотностью спектра изотропно излучаемого сигнала. Результаты. Разработана методика расчета РЗЭМД. Предложен общий подход к определению предельной длины радиолиний поверхностных волн, основанный на введении понятия «технический фактор радиолинии». Практическая значимость. Построены номограммы для определения РЗЭМД. Предложена аппроксимация зависимости максимальной температуры внешних шумов от частоты в ВЧ-диапазоне аналитическим выражением. Разработана и представлена в виде графика частотная зависимость температурного коэффициента входа антенны ШТ4Н81. Показана возможность применения предлагаемой методики для решения практических задач на примере расчета РЗЭМД радиостанции TTR-2101M для моноимпульсного пеленгатора с кольцевой антенной решеткой из восьми элементов типа ШТ4Н81.

Ключевые слова: радиус зоны электромагнитной доступности, кольцевая антенная решетка, множитель ослабления трассы, температурный коэффициент входа антенны, технический фактор

Ссылка для цитирования: Попов О.В., Тумашов А.В., Борисов Г.Н., Коровин К.О. Методика расчета радиуса зоны электромагнитной доступности источника поверхностных волн с заданной плотностью спектра изотропно излучаемого сигнала // Труды учебных заведений связи. 2022. Т. 8. № 3. С. 72-79. 001:10.31854/ 1813-324Х-2022-8-3-72-79

Method for Calculating the Radius of an Electromagnetic Availability Zone based on a Surface Wave Source with a Given Spectrum Density of an Isotropically Emitted Signal

© Попов О.В., Тумашов А.В., Борисов Г.Н., Коровин К.О., 2022

72

tuzs.sut.ru

Oleg Popov1, ov.popov@mail.ru Andrey Tumashov2, ice47reg@yandex.ru © Georgy Borisov1, georgiiborisov@gmail.com Konstantin Korovin2 konstkor@mail.ru

1JSC Spetsialnyi Tekhnologicheskii TSentr,

St Petersburg, 195220, Russian Federation 2The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications, St. Petersburg, 193232, Russian Federation

Abstract: Thematic justification. When planning HF radio communication using surface waves, it is necessary to determine the signal-to-noise ratio at the inputs of each radio link receiver. Given a sufficiently high ratio, a conclusion can be drawn concerning the effective functionality of the analyzed radio link in a radio communication system. The planning process will be significantly simplified if the radius of the electromagnetic availability zone (REAZ) can be defined for surface waves at each radio station. Thus, the task of developing a methodology for engineering calculation of REAZ is relevant and practically important. Goal. To develop an estimating technique for engineering calculations of a REAZ based on a surface wave source with a given isotropically emitted signal spectrum density. Results. A technique for calculation of the radius of the electromagnetic accessibility zone was developed. A general approach for determining the limiting length of radio links of surface waves is proposed, based on the introduced "technical factor of a radio link" concept. Practical implications. Nomograms for determining the radius of an electromagnetic accessibility zone were constructed. The dependence of the maximum temperature of external noise on frequency in the HF range can be approximated using an analytical expression. The developed frequency dependence of the temperature coefficient of the input of an ShT4N81 antenna is presented in a graphical form. The feasibility of using the proposed technique for solving practical problems is demonstrated on the example of calculating the radius of the electromagnetic accessibility zone of a TTR-2101M radio station for a monopulse direction finder with a ring antenna array consisting of eight elements of the ShT4N81 type.

Keywords: radius of the electromagnetic availablity zone, ring antenna array, path attenuation factor, temperature coefficient of antenna input, technical factor

For citation: Popov O., Tumashov A., Borisov G., Korovin K. Method for Calculating the Radius of an Electromagnetic Availability Zone based on a Surface Wave Source with a Given Spectrum Density of an Isotropically Emitted Signal. Proc. of Telecom. Universities. 2022;8(3):72-79. (in Russ.) DOI:10.31854/1813-324X-2022-8-3-72-79

Введение

Поверхностные волны широко используются в ВЧ-диапазоне для связи на небольшие расстояния (до нескольких десятков километров). Это объясняется высокой стабильностью условий распространения на трассах поверхностных волн, а также сложностью перехвата передаваемых по ним сообщений, ввиду малого радиуса зоны электромагнитной доступности (РЗЭМД). Однако при этом расчет РЗЭМД становится весьма важной задачей как при планировании самой радиосвязи, так и мероприятий по обнаружению факта ее существования.

Отправной точкой для расчета РЗЭМД является минимальное отношение сигнал/шум на входе приемника, при котором он функционирует с заданным качеством. Определить уровень сигнала на входе приемника можно, воспользовавшись полученным В.А. Фоком [1] решением задачи о дифракции радиоволн вокруг гладкой сферической поверхности. Найденный в результате решения этой задачи множитель ослабления трассы

позволяет представить мощность сигнала на входе приемника, как функцию его удаления от источника поверхностных волн [2, 3].

При отсутствии преднамеренных помех уровень шумов на входе приемника не зависит от его местоположения, следовательно, отношение сигнал/шум будет уменьшаться по мере удлинения трассы, т. е. совместно с уменьшением уровня сигнала. Расстояние, на котором отношение сигнал/шум уменьшится до минимально допустимого значения, и будет РЗЭМД заданного источника для заданного приемника. Таким образом, расчет РЗЭМД целесообразно начать с определения суммарной мощности шумов, пересчитанных ко входу приемника.

Мощность шумов на входе приемника ВЧ-диапазона

Как известно [2], мощность шумов на входе приемника определяется выражением:

Рш = къТш Д/, (1)

где КБ = 1,38 • 10 23 [грВдгц] - постоянная Больц-

мана; Д/ [Гц] - полоса пропускания приемника; Тш - эффективная шумовая температура на входе приемника.

Эффективную шумовую температуру на входе приемника можно представить в виде суммы температуры внешних шумов, шумов антенно-фидерного тракта и приемника [2]:

= П^ + (1 - П^о + Т;

пр 1

(2)

где Га - суммарная температура всех внешних шумов на входе антенны; Г0 = 290 К - стандартная температура; Гпр - температура шумов приемника, пересчитанных к его входу; п = ПфПаПс - коэффициент полезного действия (КПД) антенно-фидерного тракта (АФТ); па - КПД антенны; Пф -КПД фидера; пс - коэффициент согласования по сопротивлению антенны с фидером, подключенным к приемнику:

Пс =

+ Я

(3)

пр

где = Да + - входное сопротивление антенны; Дпр - входное сопротивление фидера с подключенным к нему идеально согласованным приемником.

Выражение (2) удобно преобразовать к виду:

7Ш = П^аэ , (4)

где Гаэ - эффективная шумовая температура антенны (суммарная температура шумов на входе антенны):

7 = г +

1 аэ 1 а >

а-п)7о + 7п

пр

п

(5)

Входящая в (5) температура шумов на входе приемника определяется выражением:

7Пр = (Л - 1)70 , (6)

где N - коэффициент шума приемника.

Максимальная температура внешних шумов антенны, как следует из графиков [4], является функцией частоты и в ВЧ-диапазоне изменяется от 3 х 1011 [К] (на частоте 1,5 МГц) до 3 х 104 [К] (на частоте 30 МГц).

Для численного моделирования эту зависимость удобно представить в аналитическом виде:

J = 1Q0,867log2(/)-6,54log(/) + 12,31

(7)

где f - частота, выраженная в мегагерцах.

Как следует из соотношения (5), эффективная шумовая температура зависит не только от температуры внешних шумов, но и от КПД антенно-фидерного тракта, который в ВЧ-диапазоне изменяется в весьма широких пределах.

В силу этого обстоятельства, эффективную шумовую температуру в дальнейшем анализе удобно представить в виде произведения:

^аэ = Т'а^2'

(8)

где К - температурный коэффициент входа антенны (ТКВА).

Как следует из выражений (5, 6 и 8), ТКВА определяется следующим образом:

N

N

1+

W70

П^а

(9)

Видно, что ТКВА является интегральным параметром, поскольку зависит от КПД антенно-фидерной системы, коэффициента шума приемника и температуры внешних шумов.

Поскольку в ВЧ-диапазоне температура внешних шумов, как указано выше, не менее 3 х 104 [К], из выражения (9) следует, что антенные системы с высоким КПД АФТ (п > 0,1) имеют ТКВА во всем ВЧ-диапазоне, близкий к единице. Однако реальный КПД антенн, предназначенный для работы поверхностной волной, в большей части ВЧ-диапазона существенно ниже. Поэтому, точный расчет ТКВА представляет собой отдельную задачу и в рамках данной работы не рассматривается.

На рисунке 1 представлен ТКВА типового несимметричного вибратора с вынесенной точкой питания ШТ4Н81 при развертывании на сухой и влажной почвах. Коэффициент шума приемника принимался в расчетах равным 10. Видно, что на частотах ниже 6 МГц ТКВА можно считать равным единице.

K

- Влажная почва (е = 4, s = 0,01 [См/м]

------ Сухая почва (е = 4, s = 0,001 [См/м]

3,5 3 2,5 2 1,5

'0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 f, МГц

Рис. 1. ТКВА ШТ4Н81 при развертывании на сухой и влажной почвах для N = 10

Fig. 1 Antenna Input Temperature Coefficient for ShT4N81 for Deployment on Dry and Moist Soil for N = 10

Принимая во внимание (4 и 8), суммарная мощность шумов на входе приемника, определяемая выражением (1), будет:

Рш = М/Л^

(10)

Таким образом, введение в рассмотрение слабо зависящего от частоты интегрального параметра ТКВА позволило выделить КПД антенной системы

аэ

a

2

4

в выражении для мощности шума на входе приемника в виде самостоятельного сомножителя.

Отношение сигнал/шум на входе приемника поверхностных волн как функция расстояния от источника

Как известно [2, 3], мощность сигнала на входе приемника определяется соотношением:

Рс = П • Л • пс • Пф ,

(11)

lEd2

где П = - модуль вектора Пойнтинга; Ес - вектор напряженности поля сигнала; А - эффективная площадь антенны, под которой, по определению [5], понимается площадь фронта плоской волны, вся мощность с которой передается в идеально согласованную нагрузку.

В свою очередь, модуль напряженности поля сигнала связан с изотропно излучаемой мощностью источника следующим образом [5, 7]:

(12)

где Рии = Р1С1 - изотропно излучаемая мощность источника поля; Р1 - мощность, подводимая к передающей антенне; - коэффициент усиления передающей антенны; |7| - модуль множителя ослабления трассы; г - расстояние между приемной и передающей антеннами (длина трассы).

Выражение (12) позволяет представить модуль вектора Пойнтинга в виде:

П=

р

1 1Г

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4пг2

m2

(13)

Эффективная площадь антенны связана с коэффициентом усиления соотношением:

12С

А =

4п ,

(14)

где X - длина волны; С - коэффициент усиления антенны.

В свою очередь коэффициент усиления антенны определяется с помощью выражения:

С = Оца , (15)

где Б - коэффициент направленного действия антенны (КНД).

Выражения (10, 11, 13 и 14) позволяют представить отношение мощности сигнала на входе приемника к мощности шума следующим образом:

4 Рш Уиии(4пг) кБТ0К?Та, ( )

где ц = —, ис - действующее значение напряжены

ния сигнала; Uш - действующее значение напря-

жения шума; Р^и - плотность спектра изотропно излучаемой мощности:

р

1 на

рс _

1 ии

àf

(17)

Как и следовало ожидать, с увеличением расстояния до источника поверхностных волн отношение сигнал/шум на входе приемника уменьшается, поскольку уменьшается сомножитель, стоящий в круглых скобках. Следовательно, предельной длиной радиолинии поверхностных волн будет расстояние, на котором отношение сигнал/шум опустится до минимально допустимого значения.

Методика расчета РЗЭМД источников поверхностных волн

Обычно под зоной электромагнитной доступности понимается область, в пределах которой источник с заданной плотностью спектра изотропно излучаемой мощности создает на входе приемника сигнал, достаточный для работы с заданным качеством. Тогда РЗЭМД есть предельная длина радиолинии поверхностных волн для выбранных источника сигнала и приемника на выбранной частоте.

Пусть от^ - минимальное отношение сигнал/ шум, при котором обеспечивается работа радиоприемного устройства с заданной точностью и достоверностью.

Тогда РЗЭМД источника поверхностной волны можно определить из соотношения (16), преобразовав его в уравнение относительно гтах:

m

4nrmaxJkBT0

= Чп

N

Т

TR *0

тф

(18)

где Нтф - технический фактор радиолинии, учитывающий параметры источника поверхностных волн и приемного устройства; И0ф = (Р£иО)-1/2 -технический фактор радиолинии при идеальном приемном тракте:

^тф = KtiPuuD) 1/2 = KtR.

о

(19)

Под идеальным приемным трактом понимается согласованная линия передачи, составленная из элементов без потерь, т. е. фидер, у которого п = 1. При этом, как следует из соотношения (9), Кt = 1, т. к. в ВЧ-диапазоне (НТ0)/Та « 1 [4].

Наибольшие вычислительные трудности при решении уравнения (18) вызывает определение модуля множителя ослабления трассы |7|, величина которого находится из решения задачи о дифракции радиоволн на полупроводящей сфере большого радиуса.

Если приемная и передающая антенны находятся непосредственно на поверхности этой сферы, то модуль множителя ослабления трассы будет [3, 5]:

|7| = 2VnI

gizts

где

z = к

з П

maxJ^ ,

q = i

^ VF+76ÜÖX'

(20)

(21) (22)

где е - относительная диэлектрическая проницаемость почвы; а [См/м] - удельная проводимость почвы; а = 6,37 • 106 [м] - радиус земли; - корни характеристического уравнения.

Характеристическое уравнение, определяющее значения , имеет вид:

^ (0 - 0^2 (0 = 0, (23)

где w2(t)- функция Эйри второго рода, являющаяся одним из решений дифференциального уравнения Эйри; w2(t) - производная от функции Эйри второго рода по полному аргументу.

Функция w2(t) связана с функцией Ханкеля второго рода порядка одной трети соотношением:

w2(t) =

N

nt ¡2П

Г(И)

(24)

Значения первых пяти корней характеристического уравнения для двух предельных значений параметра q (q = то и q = 0) приведены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Первые пять корней характеристического уравнения

TABLE 1. The First Five Roots of Eigenvalue Equation

S 1 2 3 4 5

.2П tfe-lT q = от 2,338 4,088 5,521 6,787 7,994

.2П q = o 1,019 3,248 4,820 6,163 7,372

Все последующие корни с достаточной для практики точностью могут быть вычислены по формулам:

г3/ 1ч 12/3 „ Г3/ 3ч --2/3

е

¿2п/3

е

¿2п/3

(25)

(26)

Для промежуточных значений параметра q корни вычисляются в соответствии с выражением:

Ч

ts; t°+- при |q|^ts < 1 1

ts; t"+- при |q|Tts > 1 Ч

(27)

Вычисления по формулам (20-27) позволяют представить левую часть уравнения (18) в графическом виде. На рисунке 2 изображено семейство кривых, описывающих зависимость левой части этого уравнения от протяженности радиолинии, при заданной длине волны (сплошные линии) Я.

5 15 25 35 45 55 65

г, км

a)

75 90 105 120 135 150 г, км

b)

Рис. 2. Номограммы для определения РЗЭМД для сухой (a) и влажной (b) почвы

Fig. 2. Nomograms for Determination of Radius of the Electromagnetic Accessibility Zone: a) for Dry soil b) for Moist Soil

На каждой кривой, характеризуемой определенной длиной волны, зафиксированы точки, соответствующие значениям правой части уравнения (18) при заданном техническом факторе. Соединением точек с одинаковым техническим фактором получено второе семейство кривых (пунктирные линии), образующее совместно с первым криволинейную координатную сетку, точки которой определяются длиной волны и техническим фактором. Поскольку при этом каждой точке, лежащей в пределах координатной сетки, соответствует длина радиолинии, представленные семейства кривых могут использоваться в качестве номограмм для определения РЗЭМД при сухой и влажной почвах по заданной частоте (длине волны) и вычисленном техническом факторе.

s=1

1

t° =

Таким образом, задача определения РЗЭМД свелась к определению технического фактора радиолинии «источник поля» - «приемное устройство». Как видно из (18), технический фактор представляет собой произведение двух сомножителей, один из которых йТф. Его значение полностью определяется шириной спектра сигнала, изотропно излучаемой мощностью и направленностью приемной антенны. Все эти величины являются паспортными данными, вследствие чего вычисление И0ф не вызывает серьезных затруднений. Более сложным является определение второго сомножителя технического фактора - ТКВА. Этот параметр зависит, как следует из (10), от КПД АФТ.

Для определения КПД АФТ требуется построить подробную математическую модель антенны с системой противовесов или заземления, поскольку эти системы являются неотъемлемой частью антенн поверхностных волн. Актуальность решения такой задачи обусловлена тем, что современные программные комплексы, такие как АшуБ ИРББ, Акак РЕКО, СБТ МШБ и другие, во-первых, не применимы к антеннам, размещаемым сразу в двух средах, а во-вторых, не разделяют активную составляющую входного сопротивления антенны на сопротивление потерь и сопротивление излучения.

В работе [6] изложена методика расчета сопротивления потерь заземленных несимметричных вибраторов с вынесенной точкой питания и получены необходимые аналитические выражения. Считая, что распределение тока вдоль проводников такого вибратора совпадает с распределением в нагруженной однородной линии без потерь, можно определить его входное сопротивление, КПД АФТ, и, в конечном итоге, ТКВА.

Поскольку все антенны, предназначенные для работы поверхностными волнами, конструируются как несимметричные системы, в которых один из зажимов заземляется, т. е. подключается к противовесу или заземлению, методику [6] можно использовать для определения ТКВА всех типов антенн, пригодных для работы поверхностными волнами.

Таким образом, считая, что ТКВА и КНД приемной антенны известны, методику расчета РЗЭМД можно представить состоящей из двух этапов:

- по известным КНД и ТКВА приемного устройства, а также заданной плотности спектра изотропно излучаемой мощности, с помощью соотношения (19) определяется технический фактор радиолинии;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- по заданной частоте (длине волны) и вычисленному техническому фактору, пользуясь номограммой (см. рисунок 2) с характеристиками почвы, на которой развернута приемная антенна, определяется РЗЭМД.

Расчет РЗЭМД радиостанции ТТЯ-2101М для пеленгатора «Торн-8ПМК»

В качестве примера рассмотрим решение задачи по определению РЗЭМД радиостанции ТТЯ-2101М для пеленгатора «Торн-8ПМК».

Исходные данные

Характеристики источника поверхностных волн (радиостанция ТТЯ-2101М):

- ширина спектра сигнала (А[): 3 КГц;

- изотропно излучаемая мощность (Рии): 150 Вт;

- диапазон рабочих частот (1,5-30) МГц. Характеристики приемного устройства (пеленгатор моноимпульсный «Торн-8ПМК»):

- коэффициент шума приемника (М): 10;

- антенная система: восьмиэлементная КАР с радиусом 25 м (развернутая на влажной почве);

- антенные элементы: несимметричные вибраторы типа ШТ4Н81.

Ограничения и допущения

Потери в элементах фидерного тракта КАР пренебрежимо малы по сравнению с потерями в антенных элементах и потерях на рассогласование.

Предварительные расчеты

1) Вычисление плотности спектра изотропно излучаемой мощности.

В соответствии с (17) получим:

р

1 а-

150

Р^и = = = 0,05

àf 3•103

2) Вычисление ТКВА приемной антенной системы.

ТКВА КАР с учетом сделанного допущения равен ТКВА антенного элемента, т. е. его зависимость от частоты представлена на рисунке 1Ь сплошной линией.

3) Вычисление КНД приемной антенной системы.

Анализ КНД восьмиэлементной КАР с радиусом 25 м, выполненный по методике, изложенной в [7], показал, что под малыми углами к горизонту значения КНД может определяется соотношением:

■3 при Я/\<0,09

при 0,09 < Я/К 0,52. (28) при Я/\> 0,52

Da,e =

X 20,5

Вычисление технического фактора

Соотношение (18) совместно с (28), вычисленным значением Р£и, и значениями ТКВА, полученными из графика на рисунке 1Ь, позволяет определить технический фактор радиолинии «пеленгатор» - «радиостанция» во всем рабочем диапазоне ТТЯ-2101М. Промежуточные результаты вычислений и значения технического фактора ИТф представлены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Значения технического фактора радиолинии «Торн-8ПМК» - «TTR-2101M» и промежуточных параметров

TABLE 2. Values of "Torn-8PMK" - TTR-2101M Radio Link Technical Factor

£[Мц] Параметры^^ 1,5 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

D 4,9 9,9 19,7 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5 20,5

Р° тф 2,02 1,42 1,01 0,99 0,99 0,99 0,99 0,99 0,93 0,99 0,99

Kt 1 1 1,1 1,2 1,4 1,65 1,9 2,15 2,35 2,5 2,7

Ктф 2,02 1,42 1,11 1,19 1,39 1,63 1,88 2,13 2,33 2,48 2,67

Расчет РЗЭМД

Определение РЗЭМД производится с помощью номограммы, построенной для влажной почвы (см. рисунок 2Ь). Порядок пользования номограммой следующий:

- на криволинейной координатной сетке находится точка, соответствующая заданной частоте и техническому фактору радиолинии;

- от этой точки опускается нормаль на нижнюю горизонтальную шкалу, с которой считывается значение РЗЭМД.

На рисунке 3 линиями со стрелками показана последовательность определения РЗЭМД на частоте 6 МГц.

г, км

Рис. 3. Порядок определения РЗЭМД на частоте 6 МГц

Fig. 3. The Way of Determination of the Radius of the Electromagnetic Accessibility Zone at 6MHz Frequency

Результаты вычисления РЗЭМД радиостанции TTR-2101M для пеленгатора «Торн-8ПМК» представлены на рисунке 4. Видно, что максимальный РЗЭМД обеспечивается на частотах порядка 6 МГц. Уменьшение РЗЭМД при дальнейшем снижении частоты объясняется уменьшением как направленных свойств приемной КАР, так и ее КПД за счет уменьшения согласования по сопротивлению. Полученные результаты хорошо согласуются с опытом практического применения поверхностных волн [2, 3, 8, 9], рекомендующего использовать этот механизм распространения на частотах не выше 10-15 МГц.

Рис. 4. Зависимость РЗЭМД радиостанции TTR-2101M для пеленгатора «Торн-8ПМК» от частоты

Fig. 4. The Dependence of Radius of the Electromagnetic Accessibility Zone for Radio Station TTR-2101M for "Torn-8PMK" Direction Finder

Заключение

В работе были построены номограммы для определения РЗЭМД, позволяющие при известных параметрах паспортных данных изделия оценить возможности работы. Предложенная формула аппроксимации зависимости максимальной температуры внешних шумов от частоты в ВЧ диапазоне может применяться для определения реальной чувствительности пеленгатора.

Разработанная методика определения РЗЭМД отличается простотой, пригодна для инженерных расчетов и может использоваться как при планировании системы радиосвязи поверхностными волнами, так и мероприятий по ее контролю.

В качестве примера рассмотрено использование предлагаемой методики на примере расчета РЗЭМД радиостанции иностранных армий TTR-2101M для моноимпульсного пеленгатора с КАР из восьми элементов типа ШТ4Н81.

В отличие от существующих модельных методик, имеющих ряд ограничений и рассчитанных на использование в диапазонах ОВЧ и УВЧ [10], предложенная методика является более универсальной и предназначена для использования в ВЧ-диапазоне.

Список источников

1. Фок В.А. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн. М.: Советское радио, 1970. 518 с.

2. Гавеля Н.П., Истрашкин А.Д., Муравьев Ю.К., Серков В.П. Антенны. Ч. 1. Л.: ВАС, 1963. 633 с.

3. Серков В.П. Распространение радиоволн и антенные устройства. Л.: ВАС, 1981.

4. Рекомендация МСЭ-R Р.372-16 (08/2022) Радиошум.

5. Калинин А.И., Черенкова Е.Л. Распространение радиоволн и работа радиолиний. М.: Связь, 1971.

6. Попов О.В., Тумашов А.В., Борисов Г.Н. Методика расчета сопротивления потерь заземленных несимметричных вибраторов с вынесенной точкой питания // Успехи современной радиоэлектроники. 2021. T. 75. № 4. С. 71-79. D01:10.18127/j20700784-202104-10

7. Муравьев Ю.К. Справочник по расчету проволочных антенн. Л.: ВАС, 1978. С. 239-250.

8. Чернов Ю.А. Распространение радиоволн и прикладные вопросы. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2017. 688 с.

9. Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны. М.: Радио и связь, 1985.

10. Козьмин В.А., Муратов А.В., Сладких В.А. Оценка зоны электромагнитной доступности телекоммуникационных систем // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. № 2. C. 27-31.

References

1. Fok V.A. Problems of Diffraction and Propagation of Electromagnetic Waves. Moscow: Sovetskoe radio Publ.; 1970. 518 p. (in Russ.)

2. Gavelya N.P., Istrashkin A.D., Muraviev Yu.K., Serkov V.P. Antennas. Part 1. Leningrad: Military Academy of Telecommunications Publ.; 1963. 633 p. (in Russ.)

3. Serkov V.P. Radio Wave Propagation and Antenna Devices. Leningrad: Military Academy of Telecommunications Publ.; 1981. (in Russ.)

4. Rec. ITU-R Р.372-16 (08/2022) Radio noise.

5. Kalinin A.I., Cherenkova E.L. Propagation of Radio Waves and the Operation of Radio Links. Moscow: Sviaz Publ.; 1971. (in Russ.)

6. Popov O.V., Tumashov A.V., Borisov G.N. Method for Calculating the Loss Asymmetric Vibrators with a Remote Power Point. Journal Achievements of Modern Radioelectronics. 2021;75(4):71-79. D0I:10.18127/j20700784-202104-10

7. Muravyov Yu.K. Handbook for the Calculation of Wire Antennas. Leningrad: Military Academy of Telecommunications Publ.; 1978. p.239-250. (in Russ.)

8. Chernov Yu.A. Propagation of Radio Waves and Applied Issues. Moscow: TEKHNOSFERA Publ.; 2017. 688 p. (in Russ.)

9. Aizenberg G.Z. Shortwave Antennas. Moscow: Radio i sviaz Publ.; 1985. (in Russ.)

10. Kozmin V.A., Muratov A.V., Sladkih V.A. Estimation of Electromagnetic Availability Zone for Telecommunication Systems. Bulletin of Voronezh State Technical University. 2012;2:27-31. (in Russ.)

Статья поступила в редакцию 16.08.2022; одобрена после рецензирования 22.08.2022; принята к публикации 26.08.2022.

The article was submitted 16.08.2022; approved after reviewing 22.08.2022; accepted for publication 26.08.2022.

Информация об авторах:

ПОПОВ Олег Вениаминович

кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник ООО «Специальный технологический центр»

https://orcid.org/0000-0002-5315-2679

ТУМАШОВ Андрей Витальевич

аспирант кафедры радиосистем и обработки сигналов Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича https://orcid.org/0000-0003-2656-0463

БОРИСОВ Георгий Николаевич

инженер ООО «Специальный технологический центр» https://orcid.org/0000-0002-3275-251X

КОРОВИН Константин Олегович

кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой радиосистем и обработки сигналов Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича https://orcid.org/0000-0001-7979-3725

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.