CC BY
259
УДК 621.396:621.391.25
И. В. ДУЛЬКЕЙТ С. А. ЗАВЬЯЛОВ А. В. КОСЫХ А. Н. ЛЯШУК Е. А. ЧАЩИН
Омский государственный технический университет
РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ СРЕДНЕВОЛНОВОЙ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСТАНЦИИ НА РАДИОТРАССАХ СРЕДНЕЙ ДАЛЬНОСТИ
В статье приводятся результаты натурных испытаний средневолновой (СВ) мобильной радиостанции на радиотрассах средней дальности, до 350 км, показавшие возможность использования СВ радиосвязи с мобильными объектами, находящимися вне зоны действия ультракоротковолновых (УКВ) систем — прямая видимость и в «мертвой» зоне для коротковолновой (КВ) радиосвязи. Использовавшиеся при проведении испытаний малогабаритные резонансные антенны позволяют размещать оборудование СВ радиосвязи на мобильных объектах, включая автомобили, морские и речные суда. Ключевые слова: радиосвязь, средневолновый диапазон, поверхностное распространение радиоволн, радиотрасса, антенна.
Наибольшую сложность организации радиосвязи с мобильными объектами представляют радиотрассы средней дальности, когда ультракоротковолновая (УКВ) уже, а коротковолновая (КВ) радиосвязь, из-за так называемой «мертвой» зоны, еще не работают (40-400) км (рис. 1) [1, 2].
Для решения этой задачи применяется способ КВ-радиосвязи, использующий почти вертикальное облучение ионосферы, получивший название NVIS (Near Vertical Incidence Skywave propagation) [2-5]. Ключевыми моментами в организации такой радиосвязи являются использование антенн зенитного излучения и соответствующий выбор рабочей час-
В качестве антенн зенитного излучения могут использоваться рамочные магнитные антенны с малой апертурой (много меньше длины волны), известные под названием Very Small Tuned Magnetic Loop, такие как ST-940B [3] или Barrett 2018 [4] (рис. 2а). Иногда для этой цели используют наклоненные (изогнутые) штыревые антенны, например Barrett 2019 (рис. 2 б).
При применении NVIS радиосвязи радиоволны, отражающиеся от слоя Е, расположенного на высоте 90...120 км, поглощаются слоем D, который начинается на высоте 50 километров, не имеет максимума плотности по высоте и плавно переходит в слой Е, проходя его дважды [3]. Поэтому при выборе частот
82
Рис. 1. Распространение КВ и УКВ радиоволн
Рис. 2. Антенны зенитного излучения, размещенные на автомобиле: а) магнитная, б) штыревая
Рис. 3. Опытный образец СВ мобильной радиостанции
для ЫУГБ радиосвязи нужно учитывать взаимно противоречивые требования: с увеличением частоты сигнала коэффициент отражения вертикально падающей волны уменьшается, но с понижением частоты увеличивается ее поглощение в ионосфере. Т.е. пригодным для радиосвязи остается довольно узкий участок применимых частот, который к тому же зависит от времени суток, времени года и солнечной активности, определяющей электронную концентрацию. Таким образом, несмотря на сравнительно небольшие дальности при организации ЫУГБ радиосвязи, мы сталкиваемся с теми же проблемами, что и при дальней КВ радиосвязи.
Задача радиосвязи на радиотрассах средней дальности может быть решена за счет использования средневолнового (СВ) диапазона длин волн [6, 7]. В этом диапазоне радиосвязь осуществляется поверхностной волной на расстояниях, значительно превышающих зону прямой видимости за счет явлений дифракции и рефракции, что дает возможность обеспечить радиосвязь на расстояния до нескольких сотен километров, покрывая «мертвую» зону для КВ радиосвязи.
При распространении радиоволн вдоль поверхности Земли ее влияние определяется как электрическими параметрами земной коры, так и структурой поверхности Земли — её кривизной и неоднородностью. Т.е. зависит от множества факторов, но
Рис. 4. Вариант размещения укороченных антенн
на крыше здания: 1 — антенна Barrett 2019; 2 — макет EH антенны; 3 — штыревая антенна с антенно-согласующим устройством индуктивного типа
имеет общую тенденцию — энергия электромагнитной волны поглощается землей тем больше, чем короче длина волны (выше частота) [1, 8, 9]. Кроме того, уменьшение частоты снижет вероятность появления ионосферных каналов связи и связанных с ними межсимвольных искажений и замираний сигналов интерференционного характера. Такой канал радиосвязи в большинстве случаев можно рассматривать как однолучевой с аддитивным белым гауссов-ским шумом (АБГШ). Однако увеличение длины волны ограничено использованием на мобильном объекте антенн с малой действующей высотой, эф-
б
а
Рис. 5. Вариант размещения малогабаритных антенн на земле (а) и на автомобиле (б)
фективность которых при фиксированных физических размерах снижается с увеличением длины волны [8, 9].
Для широкого использования СВ радиосвязи, как и в случае с системой NVIS, большую роль играют антенно-фидерные системы. Большие габариты полноразмерных антенно-фидерных устройств этого диапазона не позволяют использовать их на мобильных объектах. При проведении испытаний использовался опытный образец средневолновой мобильной радиостанции «Ноэма-СВ» мощностью 8 Вт, внешний усилитель мощности «Ноэма СВ-У1» мощностью 100 Вт (рис. 3) и укороченные резонансные антенны, размещенные на крыше здания (рис. 4), на земле и на автомобиле (рис. 5).
В качестве «эталонной» использовалась антенна Barrett 2019 (рис. 4), также при испытаниях исследовались макет EH антенны [10, 11] (рис. 4) и штыревая антенна длинной 5,8 м с антенно-согласующим устройством индуктивного типа [12] (рис. 4).
В ходе испытаний все три антенны показали близкие результаты на частоте 2 МГц. Учитывая, что антенна Barrett-2019 работает в диапазоне от 2 до 30 МГц, а EH антенна имеет сильную частотную зависимость от конструктивных особенностей самой антенны и внешних факторов, кроме того, ее размещение на мобильном объекте сопряжено с трудностями конструктивного характера, дальнейшие испытания на частоте 500 кГц проводились со штыревой антенной.
Результаты натурных испытаний передачи цифровых данных со скоростью 1200 бит/с, класс излучения — частотная манипуляция с минимальным сдвигом (Fast Frequency Shift Keying — FFSK), показали, что снижение частоты сигнала с 2 МГц до 500 кГц позволяет почти вдвое повысить дальность радиосвязи при одной и той же мощности передатчика. Во время испытаний также проверялась
дальность радиосвязи при передаче цифровых данных со скоростью 1200 бит/с и 100 бит/с, а также сигналов аналоговой телефонии на частоте 500 кГц при мощности передатчика 100 Вт.
Проведенные испытания показали возможность передачи в СВ диапазоне (рис. 6):
— цифровых данных со скоростью 1200 бит/с (класс излучения — частотная манипуляция с минимальным сдвигом — FFSK) на расстояния до 300 км при коэффициенте исправного действия (КИД) радиолинии 84 — 86 %;
— аналоговой голосовой информации на расстояния до 300 км с удовлетворительным качеством (класс излучения ^Е, на нижней боковой полосе частот, оценка 3 по пятибалльной системе);
— цифровых сообщений (класс излучения F1B, частотный сдвиг 170 Гц, скорость передачи данных 100 бит/с) на расстояния до 350 км при практически 100 % КИД.
Как известно, качество приема сигналов определяется отношением энергии сигнала к спектральной плотности мощности шума в точке приема. Поэтому при проведении испытаний с помощью анализатора кабелей и антенн 2УН-4 фиксировалась мощность сигнала и шума в полосе 1 кГц (рис. 7).
На рис. 7а и б приведены спектрограммы сигнала передатчика мощностью 8 Вт при удалении от него на 219 и 276 км соответственно. Из приведенных спектрограмм видно, что на дальности 219 км превышение сигнала над шумами составляет около 20 дБ, что достаточно для приема сложных сигналов. Дальнейшее увеличение дальности радиосвязи приводит к резкому снижению мощности сигнала и на дальности 276 км отношение сигнал/шум близко к единице, что не позволяет принимать даже простейшие сигналы с удовлетворительным качеством.
Увеличение мощности передатчика с 8 до 100 Вт позволяет обеспечить необходимое для качествен-
Рис. 6. Результаты испытаний для определения потенциальной дальности передачи сигналов на частоте 500 кГц
Ret -20.0 dBm
Att: 0 dB
GPS 22/09/15 08:42
■RBW: 100 Hz SWT: 5 s Trace. Clear/Write ■ VBW: 100 Hz Trig: Free Run - Detect: RMS
G PS: Lat. <з> . 56° 14' 47.952"N Long. 70° 33'41.700ME Alt. 115.8 m 471.048 kHz 92.0 dBm
-30.0 —
-40.0 — -50.0 —
-60.0_
-70.0_
-80.0_
-90.0_
-100.0 —
-1f0.0_ L_ tû-f
I lâhM VÀJMÎ Idhhf ALi Ml < 471.047' 6 kHz __J
Center:470 kHz 1 I.'llin 1 '1 1 .11 liuvurvj iw Span: 10 kHz
Marker Delete Type Marker Select Marker Marker Function Г View List
Ref: -20.0 dBm Att: 0 dB
GPS 22/09/15 U 11:10
•RBW: 100 Hz SWT: 5 s Trace: Clear/Write •VBW: 100 Hz Trig: Free Run • Detect: RMS
GPS: Lat. 1 . 56° 10' 5.622"N Long. 69° 24' 11.076"E Alt. 90.5 m 461.063 kHz -96.7 dBm
-30.0 — G3>
_40 Q_
-БО.О —
-60.0_
-70.0_
-80.0_
-90.0_
^100|0|Д l\ 1 -
1Щ I,, Л AI J ki ikt .., ,. , „1 i,,
Fi Y\ f| ' Wfc и < +61.063! 5 kHz
Center:460 kHz Span: 10 kHz
Mew Delete Marker Type Marker Select Marker Marker Functior View _ List
Ref: -20.0 dBm
Att: 0 dB
GPS 22/09/15 11:10
■RBW: 100 Hz SWT: 5s Trace. Clear/Write 'VBW: 100 Hz Trig: Free Run • Delect: RMS_
GPS: Lat ESH . 56° 10'5.622"N Long. 69° 24' 11.076"E Alt. 90.4 m 461.063 kHz 86.2 dBm
r -30.0 — (JJ>
-40.0- -50.0_
-00.0 —
-70.0_
-80.0_
-90.0_ i
\ л I1 J
№ Щт Щц A ■4l\ftJ Irtljli i.—n. f, ... д л »
Г h i| У •W Ml i 461.063! 5 №
Center:460 kHz Span: 10 kHz
New Marker Type Delete Marker Select Marker Marker Function \J jew List
Рис. 7. Спектрограммы сигнала
б
а
в
г
ного приема превышение мощности сигнала над шумами на дальности 276 (рис. 7 в) и 303 (рис. 7г) км.
Выводы. При организации радиосвязи с мобильными объектами наибольшую сложность представляет радиосвязь на средней дальности, когда УКВ радиосвязь уже, а КВ радиосвязь, из-за наличия так называемой «мертвой зоны», еще не работают (40 — 400) км. Использование для решения этой задачи ЫУК радиосвязи с вертикальным облучением ионосферы имеет недостатки, присущие дальней КВ радиосвязи.
Проведенные натурные испытания показали возможность использования СВ диапазона с малой действующей высотой (намного меньше длины волны) при организации радиосвязи с мобильными объектами, такими как автомобили и суда речного и морского флотов, на радиотрассах средней дальности (до 350 км). В частности, при мощности радиопередатчика 100 Вт обеспечивалась передача:
— цифровых данных со скоростью 1200 бит/с и аналоговой голосовой информации с удовлетворительным качеством на расстояния до 300 км;
— цифровых сообщений со скоростью 100 бит/с на расстояния до 350 км.
С. А. Завьялов, И. С. Землянов // Россия молодая: передовые технологии — в промышленность. — 2015. — № 2. — С. 25 — 31.
8. Юрьев, А. Н. Теоретическая оценка максимальных размеров зоны обслуживания транкинговой системы связи СВ-КВ диапазонов частот / А. Н. Юрьев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2011. — № 1 (97). — С. 221-226.
9. Юрьев, А. Н. Методика расчета максимальной дальности связи, обеспечиваемой системой радиосвязи по земной /
A. Н. Юрьев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2011. — № 1 (97). — С. 216-221.
10. Маслов, О. Н. Малогабаритные резонансные антенны / О. Н. Маслов, А. В. Рябушкин, В. Ф. Шашенков // Инфокомму-никационные технологии. — 2010. — Т. 8, № 2. — С. 57 — 67.
11. Кононов, В. ЕН антенна, 40-метрового диапазона /
B. Кононов. — Режим доступа : http:// www.ehant.narod.ru (дата обращения: 20.04.2010).
12. Пат. 154886 U1 РФ, МПК H 01 Q 1/00. Малогабаритная вибраторная антенна систем сети передачи данных в диапазонах средних и промежуточных волн / Завьялов С. А., Ляшук А. Н., Фахрутдинов Р. Р., Чащин Е. А. ; заявитель и патентообладатель Омский государственный технический университет. — № 2015110530/28 ; заявл. 24.03.2015 ; опубл. 10.09.2015, Бюл. № 25. — 2 с.
Библиографический список
1. VIOL Системы радиосвязи. Радиоволны и частоты. — Режим доступа : http://www.viol.uz/node/57 (дата обращения: 17.03.2016).
2. Радиосвязь малого корабля. Антенны КВ и УКВ. — Режим доступа : http://kbrs.ucoz.ru/index/antenny/0-8 (дата обра щения: 22.03.2016).
3. Automatic tuning mobile HF antenna. — Режим доступа : http://www.barrettcommunications.com.au (дата обращения: 26.11.2015).
4. Поляков, В. Т. NVIS техника ближней связи на КВ /
B. Т. Поляков // Спецтехника и связь. — 2009. — № 1. —
C. 59-63.
5. Березовский, В. А. Современная декаметровая радиосвязь: оборудование, системы и комплексы / В. А. Березовский, И. В. Дулькейт, О. К. Савицкий ; под ред. В. А. Березовского. — М. : Радиотехника, 2011. — 444 с.
6. Дулькейт, И. В. Перспективы использования средневолнового диапазона для информационного обеспечения безопасности мореплавания в акватории Северного морского пути / И. В. Дулькейт, С. А. Завьялов, А. В. Косых // Связь на Русском Севере : тез. докл. конф., Москва, 03 — 04 сентября 2014 г. — М. : КОННЕКТ, 2014. — С. 11.
7. Дулькейт, И. В. Особенности организации радиосвязи в Арктической зоне Российской Федерации / И. В. Дулькейт,
ДУЛЬКЕЙТ Игорь Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: [email protected] ЗАВЬЯЛОВ Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: [email protected] КОСЫХ Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Радиотехнические устройства и системы диагностики», ректор.
ЛЯШУК Алексей Николаевич, кандидат технических наук, научный сотрудник кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики». ЧАЩИН Евгений Александрович, магистрант гр. ИСм-141 факультета «Элитное образование и магистратура».
Статья поступила в редакцию 18.03.2016 г. © И. В. Дулькейт, С. А. Завьялов, А. В. Косых, А. Н. Ляшук, Е. А. Чащин
Книжная полка
Гуриков, В. А. Возникновение и развитие оптико-электронного приборостроения / В. А. Гуриков. -2-е изд. - М. : Ленанд, 2016. - 189 с. - ISBN 978-5-9710-2863-5 189.
Книга является первым историко-научным исследованием развития оптико-электронного приборостроения от его истоков до создания современных оптико-электронных систем на лазерах. Анализируются взаимосвязи различных естественных и технических наук, разрабатывающих проблемы оптико-электронного приборостроения, а также отдельные понятия и явления, лежащие в его основе. Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников, аспирантов и студентов старших курсов, занимающихся проблемами оптико-электронного приборостроения, а также на всех интересующихся вопросами истории науки и техники.
