CC BY
11
Сферические волны передающих линейных магнитных антенн
(Часть II)
Радиоинженер, Кандидат физ- мат. наук, Ph.D.
Арий Борисович Ляско
1. Настоящая работа посвящена возможности использования передающих линейных магнитных антенн (ЯМА) для электромагнитной цифровой связи в ОНЧ и КНЧ диапазоне между мобильными погруженными в морскую среду объектами и об особенности работы Передающей Линейной Ферритовой Антенны (ПЛФА) типа ЯМА [1, 2, 3].
Типичными представителями ПЛФА являются модели Передающих Линейных Магнитных Антенн ПЛМА, изложены в Описаниях Патентов [1, 2] и статье [3]: "Сферические волны передающих Линейных Магнитных Антенн(часть I)" автора настоящей работы.
Ознакомиться с некоторыми моделями ПЛМА, материалами лабораторных испытаний и используемыми измерительными приборами можно на сайте www.lret.ru.
В настоящей работе автор в отличие от статьи [3], где рассматривалась теория работы ПЛМА в свободном пространстве (в вакууме), иллюстрирует теоретические основы применения ПЛМА в поглощающих и проводящих средах.
ПЛМА - как излучатели электромагнитных волн типа Магнитного Диполя Герца (МГД), собственно предназначены быть используемыми преимущественно в СДВ диапазоне, а именно, в ОНЧ (3 КГц - 30 КГц), КНЧ (30 Гц - 3000 Гц) и НЧ (3 КГц - 80 КГц) диапазонах частот в поглощающих средах с удельным сопротивлением О среды менее 40 Ом м, включая морскую воду, для которой О = 0.3 Ом м.
С "Радиотехнической" точки зрения в среде, для которой относительные величины магнитной рг и электрической ег проницаемости отличны от единицы
можно было утверждать, что "Волновое сопротивление" \Л/ в такой среде будет иметь
ш = И\ (К *Г0 = — = К 120 Ом=3 7 7 Ом.
значение: (1 - 1), где (1 -2), а длина волны казалось бы
можно было бы вычислять по формуле " г (1 - 3),
где Л , Ло - соответственно длина волны в среде и длина волны в вакууме.
\Л/0 - Волновое сопротивление вакуума, ^о - магнитная проницаемость вакуума, = 4тт10"7 Генри / м (1 - 3), е0 = 1/36тт 109 Фарад / м (1-4)
Например, при нахождении в морской среде рг =1 (1 - 5), ег = 81 (1 - 6), поэтому можно считать, что \Л/ = 41.89 Ом, (1 - 6), и можно было бы предположить, что Л = (Ло / 9) м (1 - 7).
Однако исследовании прохождения электромагнитных волн несущей частоты f в случае нахождения Передающей или Приёмной Линейной Электрической Антенн в реальной Земной среде геофизиками Компании "РАДИОНДА" [4] (подробную информацию о научно - технической деятельностью их сотрудников можно ознакомиться на их сайте: www.radionda.ru) и при объяснении ими применённого инновационного метода диагностики недр Земли были приведены: а)формула оценки длины волны в среде, обладающей конечным значением величины £):
Л =2 (1_8)_
и б) коэффициента затухания к амплитудных значений Ефт, Нрт, Нет к =,
Ф
Q (1-9) при 2ттЮ£<1
Поэтому представляет интерес рассмотреть создаваемое находящейся погружённой в такого рода среду ПЛМА во круг себя электромагнитное поле.
Для анализа (см. Изо. 1) использованы [3] следующие выражения отыскания амплитудных значений электрической E<pm и магнитных Нрт, Нет составляющих напряжённостей электромагнитного поля, создаваемого моделью J1MA №21 с помощью выражений
Е^ +! COS0 (1 - 10)
4я л 2яр 2 яр
= Ч^п^е-ь ж е (1-11)
4ягц[ л 2 яр 2яр
НУК^Г-У + (1 -12),
8 TTpf л 2 яр 2яр 2яр где а = 271/ (1-13), c = (1-14). где
Jm - "Магнитный ток" протекаемый в теле ПЛМА, [В];
Л - длина волны поглощающей среды в которую погружена модель ПЛМА, [м];
к - коэффициент затухания в среде конечном значении величины £)[Ом м] в [1/м];
При рассмотрении затухания плоской моно гармоничной электромагнитной волны частоты f с помощью Уравнений Максвелла в среде с значениемQ (в частности, для морской среды при температуре 25 0 С Q = 0.3 Ом м) оценка величины h толщины слоя затухания ее- раз амплитудного значения электрической Е [В/м] и магнитной Н [А/м] составляющих напряженностей электромагнитного поля может быть вычислена по формуле, любезно представленной доцентом, кандидатом физ. - мат. наук Павлом Юрьевичем Пушкарёвым (подробнее о нём - www.spectra- qeo.narod.ru/CV Ru.htm)
Ь[м] =
107п[а*-*]
(1 - 15),
где/7/м/ - слой затухания составляющей Напряжённости Магнитного Н [А/м] или Электрического Е [В/м] электромагнитного поля в 2.71 раз.
Е(р Г) = Е( 0 Пе ^ Поэтому \ / (1 - 10), и соответственно,
Н{р._Г) = Н{(1.11Ь
гдер [м] - расстояние до приёмного устройства от места расположения ПЛМА.
П о Ю.П. Пушкарёву коэффициент затухания к электрической Ефт и магнитных Нрт, Нвт компонент электромагнитного поля [1/м]:
И (1 - 12)
С учётом ИПК (1 - 12)
выражения (1 - 10, 11, 12) принимают вид [3]:
Изо.1.
2. Как было отмечено в [3] данная модель ЛМА №21
Фото 1. На переднем плане вид модели ЛМА№21 и модель резонансный конденсатора для частоты 30 КГц, рассчитанные для работы при ^ до 8 А [3] .
до настоящего момента проходит испытания у геофизиков Компании "Радионда" совместно с
приёмной ферритовой антенной МА№2.
В Феврале 2016 г сотрудниками Компании "Радионда" были погружены в герметичных корпусах передающей и приёмных антенн оборудования Компании геофизиков "Радионда" Модель ЛМА№21 и Модель МА№2 в две, расположенные на расстоянии р = 17.5 м (2 - 1)
друг от друга, вертикальные скважины на глубину до 18 м. При этом они погружались синхронно вертикально друг против друга с заданным шагом с помощью специальных устройств "опускания -подъёма" на полигоне Геофизического Факультета МГУ в Московской области с заранее известными свойствами слоёв пород грунта на заданной глубине.
В полученном Отчёте Компанией "ЛРЭТ" (данных испытаний Моделей ЛМА №21 и МА№2 на частоте 29550 Гц) , в частности, при нахождении на глубине 12 м друг относительно друга указаны электрические характеристики породы грунта:
£г = 10 , = 1, О = 20 Ом м (2 - 2), и что для частоты f = 30 КГц в данной среде длина волны Л = 81.36 м (3 - 3), а коэффициент поглощения к = 0.077 (2 - 4) при значении 1ат тока возбуждения продольного магнитного поля в теле ЛМА №21, поданного на обмотку его соленоида, на частоте 29550 Гц: 1ат = 0.62 А (2 - 5)
Использование формулы (1 - 9) дало значение к = 0.0769 (2 -6).
На выходе пассивной модели МА№2 был зарегистрирован моно гармоничный сигнал частоты 30 КГц со значением напряжения итвых = 5039 мкВ (2 -6).
Поскольку была Приёмная Ферритовая Антенна МА№2 обёрнута ими тонкой металлической фольгой, как они считают - входной контур, используемого ими предусилителя приёмного устройства, обладал добротностью Q =3 (2 - 7), поэтому они считают, что был зарегистрирован МА№2 сигнал иМА№2 = 1680 мкВ (2 - 8).
Фото. 2. Модель МА№2 в герметичном кожухе, а выше справа Рамочная приёмная антенна ЛА№1 (Аефф = 0.25 кв.м, N=100 витков).
Как было отмечено в [3] формула для расчета значения "Действующей высоты" Нэфф [м]
Приёмной Рамочной ЛА№1:
(2 - 9) В свободном пространстве (вакууме) для частоты 29550 Гц Ло = 10150.3 м (2 - 10), а в упомянутой среде испытания антенн ЛМА№21 и МА№2 длина волны, вычисленная по формуле (1 - 8), Л = 82.27 м (2 - 10)
234 Евразийский научный журнал
Поэтому для Антенны ЛА№1 при длине До = 10150.3 м Нлд№1эфф = 0.0155м (2 - 11),
а при Л = 82.27 м НЛА№1эфф = 1.91 м (2 - 12).
Измерения автора показали, что в отсутствии магнитопровода на частоте f = 1 КГц индуктивность обмотки соленоида ЛМА№ 21 Lo = 10.27 мкГн (2 - 13), а в присутствии магнитопровода внутри тела ЛМА№21 на частоте 29550 Гц - индуктивность обмотки соленоида Lа = 541.6 мкГн (2 - 14).
Это значит, что эффективное значение относительной величины магнитной проницаемости Модели ЛМА№21 мэфф = 52.7 (2 - 15)
Автором проводились измерения величины регистрации электромагнитного излучения Модели ЛМА№21 одновременно с одного и того же места с расстояния 14 метров антеннами ЛА№1 и МА№2 с целью определения отношения величин их "Действующей высоты" для частоты 29550 Гц.
Измерения показали, что для Ло = 10150.3 м НмА№2эфф = 0.017 м (2 - 13), поэтому
для среды, в которой Л = 82.27 м Нмд№2эфф = 2.16 м (2 - 14).
3. Анализ работы модели ЛМА№21 [3] в поглощающей среде на частоте 29550 Гц при ег = 10, мг = 1, ^ = 20 Ом м (3 - 1).
С учётом основных данных для модели ЛМА№ 21, указанных в статье автора [3], по формулам (1 - 13, 14, 15) с учётом значения Л, вычисленного на глубине 12 м (3 - 2) по формуле (1 - 8), и с учётом значения для коэффициента к, вычисленного по формуле (1 - 9) для расстояния р = 17.5 м (3 - 3) между антенной ЛМА"21 и МА№2 для частоты 29550 Гц можно с помощью программы "MathCAD MathSoft, 1пс."[5] рассчитать значение Jm| и амплитудные значения Ефт, Нрт, Ндт.
Так как для данной среды а) вычисления по формуле (1 - 1) дают значение "Волнового сопротивления" W = 119.22 Ома (3 - 4),
б) результат расчёта по формуле (1 -9) коэффициента затухания к: к = 0.076 [1/м] (3 - 5).
в) Расчёт коэффициента ад по формуле ад =2п/Д (3 - 6): ад =0.076 [1/м] (3 - 7)
г) В момент резонанса на частоте ^ = 29550 Гц реактивное сопротивление Ха индуктивности обмотки соленоида ЛМА№ 21 1_а равно ~ = ¡100.56 Ом (3 - 8)
д) тесты антенного контура последовательного резонанса показали, что было получено значение полосы пропускания BW =557. 5 Гц (3 - 9) на уровне - 3 dB, поэтому Эффективное значение
добротности = =53(3-10).
е) Ёмкость С резонансного конденсатора контура антенного тока 1ат = 0.62 А (2-5) "возбуждения" продольного магнитного потока ЛМА№21 определяется как:
С =" (3 - 11) С=53.56 нФ (3 - 12).
ж) Амплитуда напряжение иат на обмотке соленоида ЛМА№ 21 в момент резонанса:
^ =-.■''-. = i 62.34 В ( 3 - 13).
з) Амплитудное значение циркулирующей вокруг боковой поверхности соленоида ЛМА№21 напряжённости электрического поля определяется как
Ет(р = *е :в = 0) =
1 ТВ-} V
" " = i 11.25 В/м (3 - 14).
и) Амплитудное значение "магнитного тока" Jam находят из равенства Евразийский научный журнал 235
3 = Е^^Л)
аш г , 1
—(-у + г^—
4к ас 4А = 9 74 10 - б + 10.445)в (з -15)
Были получены следующие выражения для Ефт, Нрт, Нет для дистанции р=17.5 м и 0 = О _ (1 5д 1() _5 + . 7 6 10 - 6) в/м (3. 16)
|Ефт1 =1 7.6 мкВ/м (3 - 17).
Н^р^а^к.в) =(2.653 10 "5+ ¡2.4 10"7)А/м (3-17) IНетI = 26.53 мкА/м (3 - 18)
Естественно, что при 0 = 0 |Нрт| = 0 (3-19).
Так как НМА№2эфф = 2.164 м, то и1МА№2вых = НМА№2эфф |Ефт| = 38 мк В (3 - 19)
и и2Мд№2 вых = 1нвт1 w нМА№2эфф = 6.839 мВ (3 - 20) 4. Заключение
1. Видим, что при р= 17.5 м и Л = 82.27 м для ПМА№21 и МА№2, - как типичных представителя МГД в рассматриваемой среде, - вклад в значение напряжения, регистрируемое Приёмной магнитной или Рамочной антенной, играет лишь магнитная составляющая напряжённости поля, а не Электрическая составляющая потока электромагнитных волн и, что самое главное: в данной среде на данной
дистанции происходит уже процесс излучения_Моделью МА №21
электромагнитного поток, так как распространение сферических волн проходит
(по крайней мере в месте регистрации) в так называемой "Дальней зоне"в силу выполнения условия р= 17.5 м) < (Л = 82.27 м) / 2п = 13.1 м).
2. Теоретическое значение для ЭДС = 6.84 мВ на выходе пассивной Модели Магнитной
Антенны, условно названной МА № 2, чуть выше практически зарегистрированного
ей значения в момент испытания геофизиками Компании"РАДИОНДА" [4] в
скважинах Испытательного полигона Геофизического Факультета МГУ в реальных
условиях в Феврале 2016 г.(см. Фото.З, любезно представленное автору по
электронной почте).
Фото. 3. Геофизики Компании "Радионда" в момент погружения антенных корпусов, в которых находятся Модель ЛМА № 21 и Модель МА№ 2 в скважины Испытательного полигона Геологического Факультета МГУ в Московской Области во время теста
Литература:
1. Arie Lyasko"Теоретическое приложение и инженерный метод расчёта" US Patent 4 4 5824 8 Jul.3.1984. "Parametric Antenna".
2. А.Б. Ляско, Описание изобретения, Патент РФ № 2428774 от 10 Сентября 2010 г., "Передающие Линейные Магнитные Антенны (ЛМА)".
3. А.Б. Ляско, "Сферические волны передающих Линейных Магнитных Антенн (Часть I), "Евразийский Научный Журнал", № 6, 2016 г.
4. Труды геофизиков Компании "Радионда"( Например, "Канадская презентация" 2002 г., "Предварительный Отчёт испытаний в Феврале 2016 г.").
5. Программа "MathCAD, V. 7.0, MathSoft, Inc.
