CC BY
71
УДК 621.396.673
ОСОБЕННОСТИ АНТЕНН РАДИОМАЯКОВ КОНТРОЛЬНО-КОРРЕКТИРУЮЩИХ СТАНЦИЙ СРЕДНЕВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ГЛОНАСС И GPS
Юсупов Л.Н., к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»
В работе рассмотрены особенности антенн радиомаяков контрольно-корректирующих станций средневолнового диапазона навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, касающиеся их конструкции и излучаемой мощности. Сделаны расчёты и выводы относительно повышения энергетического потенциала антенны.
Ключевые слова: антенна, средние волны, мощность излучения, волновое сопротивление.
FEATURES OF ANTENNAS OF RADIO BEACONS OF CONTROL-CORRECTING STATIONS OF THE MID-WAVE RANGE OF NAVIGATION SYSTEMS GLONASS AND
GPS
Yusupov L., Ph.D., assistant professor, FSEIHE «Admiral Ushakov Maritime State University»
The features of antennas of radio beacons of control-correcting stations of the mid-wave range of the navigation systems GLONASS and GPS are discussed, concerning their design and radiated power. Calculations and conclusions are made regarding the increase of the antenna's energy potential.
Keywords: antenna, average waves, radiation power, wave impedance.
Для радиопередачи дифференциальных поправок в зоне действия контрольно-корректирующих станций могут использоваться различные диапазоны волн. В Азово-Черноморском бассейне, как и во многих других регионах, принято транслировать дифференциальные поправки к спутниковым навигационным системам ГЛОНАСС и GPS в средневолновом (СВ) диапазоне на частотах около 300 кГц, где длина волны l»1000 м. Рабочим сектором обеспечения потребителей диффпоправками являются водные акватории Азовского и Чёрного морей. В диапазоне средних волн электрические параметры воды таковы, что её можно считать хорошо проводящей средой, поэтому, исходя из особенностей распространения радиоволн над такой поверхностью, принята вертикальная поляризация электромагнитного поля [1]. Для излучения электромагнитных волн в этом диапазоне частот используются, как правило, проволочные Т- или Г-образные антенны [2-4]. Так, в радиомаяках на Азово-Черноморском побережье используются Т-образные антенны с длиной вертикальной и горизонтальной частей по 40 метров [5]. Особенности антенной техники средневолнового диапазона таковы, что размеры антенн оказываются существенно меньше длины волны, что предопределяет низкие энергетические показатели поля излучения.
Кроме того, условия распространения радиоволн этого диапазона таковы, что они могут распространяться земной и пространственной волной, что обуславливает их дальнее распространение. С точки зрения передачи информации - это хорошо. Однако известно, что в диапазонах средних и длинных волн негативное влияние имеют помехи, вызванные грозовыми разрядами. Эти помехи имеют большую напряжённость электромагнитного поля и, кроме того, хорошо распространяются на большие расстояния, ухудшая работу радиоприёмных устройств этих диапазонов. Существуют карты распределения уровня атмосферных помех [6], на которых нанесены медианные уровни интенсивности грозовых помех в относительных единицах для частоты 1 МГц. На рисунке 1 приведено распределение интенсивности помех для отмеченных географических координат.
Рис. 1. Уровни интенсивности грозовых помех Рис. 2. Частотные характеристики
атмосферных помех
Как видно, на Юге России, где и рассматриваются контрольно-корректирующие станции, этот уровень составляет 60-70 относительных единиц. Для выяснения частотной зависимости, используются другие графические зависимости [6], показанные на рисунке 2. В соответствии с [6], использованы обозначения:
- А=1,38 ■ 10-23 Дж/К, постоянная Больцмана;
- Т0=290К, эталонная температура,
и для коротких вертикальных несимметричных вибраторов с длиной h<<л (справедливо для СВ), вертикальная составляющая среднеквадратичного значения напряженности поля у антенны приёмника рассчитывается как:
Е = Fam + 20 lg f +В- 95,5, мкВ/м
(1)
где B=10lgb (b - полоса пропускания радиоприёмника диффпоправок. В анализируемой системе использован радиоприёмник «TRIMBLE DSM 12/212» с полосой пропускания УВЧ 40 кГц. Таким образом, напряжённость поля на входе антенны при расчёте по формуле (1) составляет примерно 40,5 мкВ/м, а это в четыре раза выше чувствительности радиоприёмника.
Таким образом, используя рассмотренные рисунки и методику оценки помех, приведённую в [6], можно видеть, что интенсивность помехи при грозе на частотах вещания дифференциальных поправок достаточно велика, и возможно блокирование радиоприёмников для этих сигналов. Поэтому повышение энергетического потенциала вещающей станции весьма полезно.
С этой целью антенну располагают над проводящей поверхностью, создавая её зеркальное отражение. При этом образуется "симметричная" антенна удвоенного вертикального размера (рис. 3).
h
Я«Х
Рис. 3. «Симметричная» антенна
Излучение вертикальной части антенны за счёт отражения от земли увеличивается, а горизонтальной - компенсируется вследствие противофазности полей двух горизонтальных проводников (реального и зеркального). Горизонтальная часть антенны служит для создания более равномерного распределения тока 1(К), определяемого эквивалентным удлинением антенны I . Поэтому такая конструкция приводит к увеличению действующей высоты кд антенны.
Рассмотрим, что необходимо предпринять, чтобы повысить излучаемую мощность и тем самым увеличить радиус зоны обслуживания. Мощность излучения определяется по формуле [3]:
Р и 2
' •L 2 й л
Ре
V
sin(£ • loe) • cos (к • 0,5 • /) cos {k-bj
J
(2)
где - сопротивление излучения антенны, рв - волновое сопротивление вертикальной части антенны, I - длина горизонтальной части антенны. Как видно из формулы (2), чтобы повысить мощность излучения необходимо увеличить сопротивление излучения или уменьшить волновое сопротивление.
Сопротивление излучения. При малых высотах антенн (к<Х/6) сопротивление излучения антенны определяется по формуле Рюден-берга [3]:
=160-л-2
V
Яу
(3)
Сопротивление излучения, как видно, можно поднять, только увеличив действующую высоту антенны, определяемую формулой М.В. Шулейкина:
/
К=н-
1
н
\
\
2-1.
ое J
(4)
Реально это означает либо увеличение вертикальной части, либо горизонтальной. Ни тот, ни другой путь существенного прироста мощности излучения не принесёт, т.к. большого увеличения высоты или горизонтального полотна не удастся получить по причине конструктивных сложностей.
Волновое сопротивление. Из формулы (2) следует, что для увеличения мощности излучения необходимо уменьшать волновое сопротивление антенны, которое определяется статической ёмкостью, в основном, вертикальной части антенны С относительно земной поверхности:
р =30/С
'' ' '' . Расчёт этой ёмкости проводится по методу Хоу [4], в основу которого заложено предположение, что в каждой точке прово-
дника антенны одинаковая плотность зарядов. Для антенны диапазона средних волн такое условие выполняется, поскольку размеры антенны существенно меньше длины волны. Для Т-образной антенны статическая ёмкость вертикальной части определяется по формуле:
С =
п-Н
п,
2-Я-8
\ / 1 , 1п —I--• 1п--Ц
¿/ /7, Г
V
/
п, -I
п„
■ + —• Д 8-п-е-Н 4-п-е
Г-1
п-Н
4-71-6-я,
(5)
где и и и - количество проводников горизонтальной и вертикальной частей антенны, соответственно, d - расстояние между проводниками, г - радиус провода, Н - длина вертикальной части, 1 - длина горизонтальной части. Коэффициент определяется по формуле:
А = "Л"■ !>[(*■-1)!к., - *>]+ 0307
,
а коэффициент 02 - по формуле:
Б2 = Arcsh
V 1 )
+ Н ■ Arcsh I
г 1 \
V Н)
(6)
(7)
Расстояние между серединой горизонтальной части и средней точкой зеркального изображения снижения К2 определяется по фор-
муле:
*2 =
V 2 )
+
^3 ■ НЛ 2
V
2
)
(8)
Анализ формул (5-8) позволяет решить задачу минимизации волнового сопротивления, путём поиска максимального значения ёмкости вертикальной части, определяемой длинами лучей антенны, количеством проводников, их диаметров и расстоянием между ними. Большое число указанных геометрических параметров обеспечивает свободу поиска необходимого решения. Вследствие фиксированных высот мачт и расстояний между ними, длины вертикальной и горизонтальной частей антенны можно считать постоянными. Таким образом, решение задачи поиска максимума статической ёмкости состоит в выборе количества проводников, диаметре и расстоянии между ними, исходя из конструктивных соображений, определяемых особенностями расположения радиомаяка.
Проведём количественную оценку увеличения мощности излучения при изменении волнового сопротивления антенны, обусловленного, в свою очередь, изменением статической ёмкости вертикальной части антенны при различных геометрических параметрах описываемой антенны: количества проводников, их радиуса и расстояния между ними. Энергетический выигрыш можно определить отношением мощностей излучения антенны из ««» проводников и из одного провода:
Г \2
5 =
Ъп
Р. 1
V
Ре_
Реп
/
(9)
Для расчёта приняты следующие исходные данные.
1. Длина вертикальной части Н=40 м.
2. Длина горизонтальной части 1=40 м.
3. Коэффициент Б1 в соответствии со следующей таблицей [2], рассчитанной по формуле (6).
Г 1\2
I
п 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
0 0,46 0,62 0,76 0,89 1 1,11 1,21 1,29 1,37 1,44
4. Количество проводников - от 2 до 12.
5. Радиус провода проводников - 1, 2 и 3 мм.
6. Расстояние между проводниками - 0,1; 0,2 и 0,3 мм.
Расчёты показали слабую зависимость энергетического выигрыша от изменения радиуса проводников, причем такая слабая зависимость проявляется при любом расстоянии между ними. В графическом виде её практически не видно, потому, в частности, при фиксированном расстоянии между проводниками в 0,1 метра, это можно наблюдать при анализе данных следующей таблицы.
Количество проводов Радиус провода, мм
1 2 3
2 0,447182 0,446408 0,445956
3 1 0,998843 0,998166
4 1,772938 1,771396 1,770495
5 2,765071 2,763146 2,762021
6 3,976036 3,973728 3,972378
7 5,405854 5,403163 5,401589
8 7,053884 7,05081 7,049012
9 8,92021 8,916753 8,914731
10 11,00534 11,0015 10,99925
11 13,30829 13,30407 13,3016
12 15,8296 15,82499 15,8223
Примерно такие же результаты при других соизмеримых фиксированных расстояниях между проводниками.
Существенно другая картина имеет место при сравнении многопроволочных антенн, когда изменяется расстояние между проводниками. Графическая зависимость параметра 8 от количества проводников при разных удалениях их друг от друга приведена на рисунке 4.
Анализ этих результатов позволяет сделать вывод: для повышения энергетического потенциала антенны целесообразно использовать многопроволочные антенны с небольшим расстоянием между проводниками.
Рис. 4. Энергетический выигрыш многопроволочных антенн
ЛитератураЛ
1. Долуханов М.П. Распространение радиоволн. М. Связь. 1972, 336 с.
2. Дорохов А.П. Расчёт и конструирование антенно-фидерных устройств. Харьков. Издательство Харьковского Госуниверситета. 1960, 450 с.
3. Жук М.С., Молочков Ю.Б. Проектирование антенно-фидерных устройств. М. Энергия. 1966, 648 с.
4. Пистолькорс А.А. Антенны. М. Связьиздат. 1947.
5. Долматов Б.М., Попов В.В. Научные аспекты создания автоматизированных информационно-идентификационных систем безопасности мореплавания в портах южного бассейна России. М. РосКонсульт. 2001, 495 с.
6. Рекомендация МСЭ^ Р.372-13 (09/2016). Радиошум. Серия Р. Распространение радиоволн.
