CC BY
107
УДК 621.396.67.095
В.П. Сивоконь1' 2
1 Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003;
2 Институт космофизических исследований и распространения радиоволн, Камчатский край, Паратунка, 684034 e-mail: vsivokon@mail.ru
ПЕРЕДАЮЩИЕ АНТЕННЫ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПОЛЯРИЗАЦИИ ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Использование волн вращающейся поляризации в декаметровом диапазоне позволяет решить ряд задач, таких как увеличение пропускной способности каналов связи, организации качественного радиовещания в малонаселенных и труднодоступных районах, локализации источников электромагнитного излучения малой спектральной плотности. Практическое использование подобного подхода связано с необходимостью реализации устройства, которое обеспечивало бы излучение электромагнитной волны с поляризацией близкой к круговой в широком диапазоне частот и телесных углов. В статье показаны пути решения этой задачи на основе использования плоских спиралей.
Ключевые слова: коротковолновые антенны, вращающаяся поляризация.
V.P. Sivokon 1 2 (^Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003; 2Institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation, Paratunka, Kamchatka, 684034) Transmitting antennas of rotating polarization in a decameter range
The use of rotating polarization waves in decameter range allows to solve a number of problems, such as increase in throughput of communication channels, qualitative broadcasting organization in under-populated and hard-to-reach areas, localization of electromagnetic emission sources of small spectral density. Practical use of the similar approach is connected with necessity of realization of the device which would provide emission of an electromagnetic wave with polarization close to circular in a broad brand and solid angles. The ways of this problem solution on the basis of flat spirals use are given in the article.
Key words: short- wave antennas, rotating polarization.
Поляризация электромагнитной волны в декаметровом диапазоне играет существенную роль в целом ряде эффектов. Такими, к примеру, являются поляризационные замирания, нарушение принципа взаимности, селективное возбуждение характеристических волн в ионосфере, свойства атмосферных помех. В нашей стране исследованию поляризационных характеристик этого диапазона длин волн посвящены работы Э.Л. Афраймовича [1, 2], Ю.В. Березина [3-8], Ю.А. Чернова [9], Е.Ю. Шередько [10]. Результаты выполненных исследований имеют и прикладное значение. Поляризационная селекция позволяет осуществлять локализацию источников электромагнитного излучения [11]. Использование передающих антенн вращающейся поляризации повышает помехоустойчивость декаметрового канала связи [12] и качество коротковолнового радиовещания [13]. В Сибири и на Дальнем Востоке при малой плотности населения и больших территориях вопрос радиовещания довольно актуален. Средневолновое вещание для отдаленных районов недоступно, да и ведется нерегулярно, что связано, по-видимому, с большими эксплуатационными расходами. В декаметровом диапазоне большие надежды возлагались на внедрение стандарта DRM, которые в нашей стране, к сожалению, не оправдываются. Недорогое и качественное радиовещание можно организовать с использованием технологий, разработанных в МГУ Ю.В. Березиным [13] с применением передающих антенн, описанных в [10, 14]. Используя полученные в работах [15-17] результаты, можно по-новому подойти к реализации зоновых систем коротковолновой связи [18]. Одной из существенных проблем при реализации подобных проектов является разработка и изготовление антенных устройств с необходимыми поляризационными характеристиками.
В настоящей статье приводятся опыт разработки, изготовления и результаты пробной эксплуатации антенн вращающейся поляризации декаметрового диапазона.
Поле вращающейся поляризации можно получить, используя два взаимоортогональных
%
вибратора, запитываемых со сдвигом фаз — . Но подобная антенна вращающейся поляризации
обладает двумя существенными недостатками. Для получения необходимого фазового сдвига в
X
качестве линии задержки, как правило, используется отрезок линии —, следовательно, система
является узкополосной. Кроме того, поле круговой поляризации можно получить в узком телесном угле, только в направлении, перпендикулярном к осям вибраторов. Такую антенну использовали при проведении экспериментов по использованию волн вращающейся поляризации в де-каметровом диапазоне на трассе Магадан - Петропавловск-Камчатский. При этом плечи вибраторов располагались относительно подстилающей поверхности под углом 45°, что обеспечивает одинаковые коэффициенты отражения для обоих вибраторов. Для получения необходимых поляризационных характеристик можно использовать радиопередающее устройство, формирующее два независимых регулируемых по амплитуде и фазе канала, подключаемых к взаимоортогональным вибраторам. Такая схема была реализована при исследованиях селективного поляризационного возбуждения характеристических волн в ионосфере [19]. Подобный подход требует специализированного передающего устройства, что с экономической точки зрения при проведении НИР возможно и обоснованно, но проблематично при практическом использования в радиосвязи и радиовещании. Вероятно, неслучайно в рамках этой же НИР была предпринята попытка реализации антенного устройства вращающейся поляризации, на основе линейного диполя, размещенного над полупроводящей подстилающей поверхностью [20]. В этом случае, располагая специальным образом вибратор относительно подстилающей поверхности, можно получить эллиптическую поляризацию волны в некотором телесном угле. Но поскольку эффект получается за счет азимутального отворота вибратора от главного направления, то энергетически способ не эффективен. Более того, при изменении диэлектрических свойств подстилающей поверхности, к примеру, при выпадении осадков, поляризационные характеристики излучаемой волны меняются непредсказуемо.
В диапазоне ультракоротких волн для получения вращающейся поляризации поля широко используются спиральные антенны, которые можно условно разделить на три группы:
- цилиндрические;
- конические;
- плоские.
Для формирования осевого излучения диаметр цилиндрической спирали должен находиться [21] в пределах 0,25-0,45Х, что для частоты 3 МГц равносильно 25-45 м. Чтобы излучаемое цилиндрической спиралью поле обладало круговой поляризацией [22], ее шаг, то есть расстояние между соседними витками, должен быть равен 0,22 X, или 22 м. Если учесть, что для получения режима бегущей волны количество витков спирали должно быть более трех, то ее размер по горизонтали будет составлять как минимум 66 м. Понятно, что реализация подобной конструкции экономически не целесообразна. Близкий по линейным размерам результат получится и при использовании конических спиралей.
Плоские спирали, имеющие небольшие предельно-габаритные размеры, в настоящее время применяются в невыступающих конструкциях (летательные аппараты), а также в качестве самостоятельных антенн, облучателей зеркальных и линзовых антенн, возбудителей волноводно-рупорных антенн. В основном плоские спирали используются в диапазоне частот 0,2 ...18 ГГц.
Получили распространение логарифмические и архимедовы спирали, а также их комбинации. Первые имеют переменный шаг, а вторые фиксированный. Логарифмическая спираль по диапазонным свойствам приближается к взаимнодополняющим структурам. Однако она имеет сравнительно большие размеры, необходимые для стабилизации параметров в широком диапазоне частот. Архимедова спираль при условии, что ее витки выполняются в виде прямолинейных отрезков, значительно проще по технологии изготовления.
При определении конструктивных размеров антенны использовались выражения, полученные в [23]. Максимальный радиус спирали определим, исходя из получения приемлемого коэф-
фициента поляризации на самой длинной волне рабочего диапазона. В соответствии с [23] для получения коэффициента поляризациир > 0,8 должно выполняться условие:
2ла„
К.
= 1,5 ^ 3,5,
(1)
где амакс - максимальный радиус спирали. Для частоты 3 МГц -ткс = 100 м. Тогда:
—
а макс =(1,5 - 3,5)-^ = 23,9....55,7 м. 2%
(2)
При практической реализации исходили из максимального радиуса спирали в 25 м. Минимальный радиус спирали определим, исходя из условия отсутствия раздвоения диаграммы направленности, для чего должно выполняться условие:
2%а„
К
> 1.
(3)
Тогда
> ^мин/2л = 12,5/2п = 1,99 м.
-»мин — '^мин
(4)
Количество витков спирали определим, исходя из ширины спиральных ветвей и зазора между ними:
а — а
_ макс_мин
= 2S + 2Z
(5)
где S - ширина спиральной ветви; Z - зазор между ветвями спирали.
Для выбранных нами параметров спирали значение N = 7,7 скорректируем до целой величины 8. Для расчета диаграмм направленности использовалась приведенная в [24] формула:
Кв (0) = Fp (9) = (cos9(sin 0)n—1 /(1 — sin er+V„+iH1 + an /2^(1 — sin 0)], (6)
где n - номер гармоники, или моды, в нашем случае n =1; R0 - радиус спирали; Jп - функция
Бесселя; а - параметр намотки спирали, который в случае плотной намотки меньше единицы.
Диаграмма направленности симметрична в обеих плоскостях. Расчетная диаграмма направленности в горизонтальной плоскости, построенная исходя из выбранных параметров спирали, показана на рис. 1.
90
270
Рис. 1. Диаграмма направленности в горизонтальной плоскости
0
В отличие от антенн линейной поляризации для антенн вращающейся поляризации диаграмму направленности в вертикальной плоскости необходимо строить для обеих компонент поля: вертикальной и горизонтальной. Результаты расчетов соответственно показаны на рис. 2, а и 2, б.
3 МГц 6 МГц 12 МГц
3 МГц 6 МГц 12 МГц
0
180
а б
Рис. 2. Диаграммы направленности в вертикальной плоскости
Влияние подстилающей поверхности сказывается не только на диаграмме направленности в вертикальной плоскости, но и на поляризационных характеристиках излучаемого поля. Расчетные зависимости коэффициента поляризации на трех частотах показаны на рис. 3.
& 0,6
0,4
0,2
10
20
30
40
50
60
70
1'
80 90
Угол подъема, 0
Рис 3. Коэффициент поляризации в вертикальной плоскости
При выборе топологии витков спирали остановились на варианте прямолинейных отрезков, поскольку этот вариант, кроме технологичности, позволяет проще решить вопрос согласования антенны с фидерной линией. В диапазоне коротких волн передающие фидеры выполняются, как правило, четырехпроводными. Известно [23], что входное сопротивление спиральной антенны при количестве витков более трех чисто активное. Что касается его величины, то здесь можно найти самые разнообразные оценки. К примеру, в [21] приводится формула Явх = 140— , где
X
I - длина витка спирали. В работе [23] показано, что для цилиндрической спирали с рефлектором входное сопротивление определяется параметрами полосковой линии, образуемой первым витком и рефлектором. Опыт, приобретенный при разработке антенного устройства на основе цилиндрических спиралей для системы «Экран-ЧМ», подтверждает правильность этого подхода. Если положить, что спираль выполняется из прямоугольных отрезков аналогичных фидерной линии, то это равносильно разво-
2'
2
1
Рис. 4. Топология первого витка спирали
рачиванию фидера в перпендикулярной плоскости (рис. 4). При разворачивании питающая линия трансформируется таким образом, что волновое сопротивление первоначально определяется
90
90
0
80
0,8
в точке 1-1/, затем в точке 2-2/. При дальнейшем перемещении по спирали оно остается постоянным. При выборе расстояния между точками 1-1/ учитывались требования к минимальному радиусу спирали, исходя из максимально используемой частоты и согласования антенны. Расстояние между разнополярными витками спирали после точки 2-2/ выбрали равным 0,25 м, исходя из размера имеющихся в распоряжении изоляторов СБ-0120к. Для установки по диагоналям спирали между разнополярными витками по размерам подходят изоляторы АС-750-200. Расчеты показали, что при таких параметрах перехода от четырехпроводного фидера к антенне величина КБВ на средней частоте составляет 0,8.
Выбор направления навивки спирали зависит от ориентации трассы. Исследования на трассе Магадан - Петропавловск-Камчатский [16] показали, что в условиях средневозмущенного магнитного поля Земли для трасс с квазипродольным распространением на восходящем участке траектории минимальные замирания и, следовательно, максимальная помехоустойчивость соответствуют максимальному значению коэффициента поляризации излучаемой волны [15]. При этом меньшие замирания наблюдаются в случае совпадения направления вращения вектора электрического поля излучаемой волны с обыкновенной волной.
При изготовлении антенного устройства необходима ровная земляная или иная площадка размером 25*25 м. Размечаются оси спирали, и на них отмечается положение витков. Затем в размеченных точках вбиваются металлические стержни с проушинами, которые используются для промежуточного крепления провода БСМ. После выполнения названных операций в центре
квадрата устанавливается поворотное устройство, на которое помещается бухта провода. Конец провода закрепляется на проушине металлического стержня в крайней точке спирали и, вращая поворотное устройство, провод укладывается в промежуточных точках до выхода его в центр квадрата. Таким образом, укладываются четыре провода. Затем устанавливаются изоляторы. После чего антенна крепится к несущему тросу и поднимается на нужную высоту. Внешний вид антенного устройства показан на рис. 5.
До подключения к фидеру проводится измерение сопротивления изоляции антенны. После подключения снижения к питающему фидеру с помощью передатчика «ВЯЗ-М2 проверена работоспособность антенны и проведены измерения КБВ с помощью прибора ИРПР из состава КИНА-2. Результаты измерений приведены на рис. 6.
0,9 0,8 ■ 0,7 ■ 0,6 0,5 ■ 0,4 0,3 ■ 0,2 -0,1 0 ■
/ \ \
1 1 \
/
/
/
} /
/
3 4 5 6 7 8 9 . 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Частота, мГц
Рис. 6. Частотная зависимость коэффициента бегущей волны
Антенное устройство в 2004-2005 гг. использовалось в системе действующей связи флота, для которой характерна динамичность: связь с кораблями осуществляется на различных расстояниях и направлениях. Проведено около тысячи сеансов связи, данные по которым представлены на рис. 7 и 8. На рис. 7 показано удаление корреспондентов при проведении сеансов связи. Из него видно, что успешная связь осуществлялась в пределах от нескольких десятков до тысяч километров. Поскольку корреспонденты флота постоянно перемещаются, то азимутальное распределение выглядит, как показано на рис. 8.
10 000
1000
♦
и
100
10
♦ ,
♦
♦♦♦ ♦ ♦ ♦♦
♦ «м» 'ИИ- 4«
♦ ♦
♦ ♦
♦
♦ ♦
♦ ♦
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Сеансы связи
Рис. 7. Удаление корреспондентов в сеансах связи
360
300
♦
240
I 180 -
и
фф А ♦ ♦
♦♦ ♦♦♦ ♦ ♦ ♦
♦♦ _
Направления главного излучения
120 -
♦ «►
♦ ♦
60
♦ • *
4>
«
♦♦ *
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Сеансы связи
Рис. 8. Азимутальное распределение сеансов связи
0
Из рис. 8 видно, что антенное устройство обеспечивает связь в широком диапазоне азимутальных углов. Для флота характерно обеспечение связи в радиосетях, что наложило определенный отпечаток на распределение частот, на которых работало антенное устройство. Тем не менее из рис. 7 видно, что используемая частота изменяется в широких пределах.
Эффективность коротковолновой связи в целом, и с использованием волн вращающейся поляризации в частности, зависит от состояния магнитного поля Земли. В работе [25] показано, что
наиболее адекватную оценку этой зависимости дает анализ вариаций магнитного поля Земли Dst. Из рис. 9 видно, что сеансы связи проходили в условиях среднего возмущения магнитного поля Земли, хотя в отдельных случаях возмущение соответствовало магнитной буре.
_ 900 1000
Сеансы связи
Рис. 9. Вариации геомагнитного поля в сеансах связи
Использование антенного устройства в действующих сетях связи флота показало хорошие технические и эксплуатационные характеристики. В условиях неблагоприятных погодных условий Камчатки, при большом количестве осадков, выпавших зимой 2004-2005 гг., и больших ветровых нагрузках, пришедшихся на этот же период, внешних повреждений полотна антенны не произошло.
В целом применение антенн вращающейся поляризации декаметрового диапазона в различных условиях геогелиофизической обстановки на трассах различной протяженности и ориентации показало их высокую эффективность.
Литература
1. Афраймович Э.Л. Интерференционные методы зондирования ионосферы. - М.: Наука, 1983. - 197 с.
2. Определение параметров поляризационного эллипса многомодового сигнала / Э.Л. Афраймович, В.А. Кобзарь, К.С. Паламарчук, В.В. Чернухов // Изв. ВУЗов. Сер. радиофизика. -1999. - Т. ХЬП, № 4. - С. 324-329.
3. Березин Ю.В., Гусев В.Д. Выделение одной магнитоионной компоненты с эллиптической поляризацией при приеме отраженных от ионосферы радиоволн // Геомагнетизм и аэрономия. -
1970. - № 1. - С. 59-66.
4. Березин Ю.В. Флуктуации поляризации радиоволн, отраженных от ионосферы // Геомагнетизм и аэрономия. - 1970. - № 6. - С. 1003-1008.
5. Березин Ю.В., Гусев В.Д., Смирнов В.И. Экспериментальные исследования подавления одной магнитоионной компоненты при отражении от слоя Б2 // Геомагнетизм и аэрономия. -
1971.- № 2. - С. 258-261.
6. Березин Ю.В., Крашенинников И.В. Модель частично рассеянного поля с полностью смещенным спектром // Геомагнетизм и аэрономия. - 1979. - № 4. - С. 641-645.
7. Березин Ю.В., Вылегжанин И.С. Декаметровые ионосферные линии радиосвязи с высокой пропускной способностью // Радиотехника. - 2005. - № 1. - С. 6-12.
8. Березин Ю.В., Вылегжанин И.С. Зоны помехоустойчивого приема сигнала при селективном возбуждении электромагнитных волн в ионосфере // Радиотехника. - 2005. - № 1. - С. 13-18.
9. Чернов Ю.А. Эллиптическая поляризация волн на КВ трассах. - М.: Труды НИИР, 2002. - С. 87-90.
10. Шередько Е.Ю. Турникетная антенна зенитного излучения // Электросвязь. - 1980. -№ 2. - С. 35-39.
11. Сивоконь В.П. Способ локализации источников электромагнитного излучения декамет-рового диапазона: патент РФ на изобретение № 2408895.
12. Сивоконь В.П. Способ формирования декаметрового ионосферного радиоканала высокой помехоустойчивости: патент РФ на изобретение № 2297643.
13.Березин Ю.В., Балинов В.В., Рыжов Д.Е. Способ возбуждения характеристических электромагнитных волн в ионосфере: патент РФ на изобретение № 2002276.
14. Коротковолновые антенны / Г.З. Айзенберг, С.П. Белоусов, Э.М. Журбенко, Г.А. Клигер, А.Г. Курашов. - М.: Радио и связь, 1985. - 536 с.
15. Аппаратурный комплекс для исследования волн вращающейся поляризации в КВ-диапазоне / В.П. Сивоконь, Г.И. Дружин, И.Н. Поддельский, А.И. Поддельский, Ю.Б. Алла-кулиев, Д.В. Тарасенко, А.В. Цуканов, Ю.С Шумилов // Электросвязь. - 2004. - № 8. - С. 9-11.
16. Сивоконь В.П., Дружин Г.И. Оценка замираний при излучении волн вращающейся поляризации в КВ диапазоне // Электросвязь. - 2005. - № 10. - С. 39-41.
17. Сивоконь В.П. Поляризация коротких волн в ионосферном канале связи // Электросвязь. -2007. - № 7. - С. 55-58.
18. Головин О.В. Декаметровая радиосвязь. - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.
19. Фалькович И.С., Калиниченко Н.Н, Станиславский А.А. Экспериментальные исследования наклонного поляризационно-согласованного зондирования ионосферы в декаметровом диапазоне волн // Геомагнетизм и аэрономия. - 1995. - № 6. - С. 123-131.
20. Фалькович И.С., Калиниченко И.Н. КВ антенна круговой поляризации на основе линейного диполя, размещенного над полупроводящей землей // Электросвязь. - 1995. - № 3. - С. 29-31.
21. Чернышов В.П. Антенно-фидерные устройства радиосвязи и радиовещания. - М.: Связь, 1978. - 288 с.
22. Антенны и устройства и СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов / А.И. Ардабьевский, О.А. Волков и др. - М.: Советское радио, 1972. - 317с.
23.Юрцев О.А., Рунов А.В., Казарин А.Н. Спиральные антенны. - М.: Советское радио -257 с.
24. Гошин Г.Г. Граничные задачи электродинамики в конических областях. - Томск: ТГУ, 1987. - 129 с.
25. Сивоконь В.П., Дружин Г.И. Геомагнитный фактор Dst-вариаций в селективном возбуждении ионосферных характеристических волн // Геомагнетизм и аэрономия. - 2006. - Т. 46, № 4. - С. 492-495.
УДК 664.95: 639.211.2
В.Б. Чмыхалова1, А.А. Боков2
'Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003;
2ООО «Витязь-Авто», Петропавловск-Камчатский, 683031 e-mail: vikakgtu@mail.ru
ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОИЗВОДСТВА ДЕЛИКАТЕСНОЙ ПРОДУКЦИИ ИЗ НЕРКИ НА ЕЕ СОХРАНЯЕМОСТЬ
Исследованы пути снижения содержания консервирующих веществ при сохранении установленных сроков годности для слабосоленой копченой продукции из дальневосточных лососей. Показано, что применение пряностей, обладающих бактерицидным и бактериостатическим действием, а также замораживание позволяют сохранить качество продукции в течение всего периода хранения.
Ключевые слова: посол, дальневосточные лососи, фенолы, спектр поглощения, сроки годности.
V.B. Chmyhalova1, A.A. Bokov2 ^Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003; LLC «Vityaz-Auto», Petropavlovsk-Kamchatsky, 683031). Influence of production characteristics of red salmon dainty on its storageability
