CC BY
0ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВЯЗИ № 1 (1 65) - 2024
УДК 621.396.946 DOI: 10.24412/2782-2141-2024-1-22-25
Влияния глубины буксировки выпускной приемной антенны на качество приема
Акулов В. С., Угрик Л. Н., Жебрун А. М.
Аннотация: В статье рассмотрены вопросы влияния глубины буксировки выпускной приемной антенны на качество приема в сверхдлинноволновом диапазоне. Исследованы подходы, при которых в зависимости от режима буксировки часть антенны может оказаться на поверхности воды. Дан ответ на вопрос: имеет ли такое расположение антенны преимущество с точки зрения качества приема. Рассмотрены два предельных случая с получением математических выражений: когда антенна буксируется под некоторым углом, а ее ходовой конец находится на границе раздела двух сред; когда вся активная часть антенны расположена на поверхности. Доказано, что расположение всей активной части антенны на поверхности воды дает увеличение отношения сигнал/шум не более, чем на один процент по сравнению с полностью погруженной антенной. Данный полученный в исследовании результат приведен исходя из того, что ввиду экспоненциального затухания поля напряжение сигнала и внешнего атмосферного шума формируется на сравнительно небольшом участке кабеля, примыкающего к ходовому концу, где затухание еще сравнительно невелико. Приведенные в статье эффекты применимы для обеспечения связи с глубокопогруженными подводными объектами.
Ключевые слова: атмосферные шумы, выпускная кабельная антенна, сверхдлинные волны, эквивалентное поле шумов антенны.
Для подводного радиоприема обычно применяют выпускную кабельную антенну, обеспечивающую возможность расположения объекта на достаточной глубине [1]. В реальных условиях в зависимости от режима буксировки часть антенны может оказаться на поверхности воды. Поэтому естественным является вопрос: имеет ли такое расположение антенны преимущество с точки зрения качества приема в диапазоне сверхдлинных волн.
Для анализа такой ситуации составим отношение сигнал/шум в точке приема
2 _ К]
К (К) _ К,, + К-ж)]а/ ' (1)
где Е5 - модуль напряженности поля сигнала;
ЕаЛ - напряженность поля внешних атмосферных помех в точке приема, отнесенная к полосе 1 Гц;
А/ - эффективная (шумовая) полоса частот приемного устройства;
Еа1 - напряженность эквивалентного поля шумов приемной антенны, отнесенная к полосе 1 Гц;
Поле Еа1 определяется напряжением шумов иа1, а, фактически, чувствительностью выносного антенного усилителя, через действующую (эффективную) высоту антенны ке:
Еа1 _ иаХ /К . (2)
В рассматриваемом диапазоне частот при анализе энергетики радиотехнических систем обычно оперируют с вертикальными компонентами полей сигнала и шумов над границей раздела сред. Поэтому под действующей высотой здесь понимается высота, приведенная именно к этой компоненте. Эта высота определяется привычной эффективной длиной 1е, относительно горизонтальной компоненты поля [2] и приведенным поверхностным импедансом 5 [3]
К _ 5 4. (3)
Рассмотрим два предельных случая.
В первом случае будем считать, что антенна буксируется под некоторым углом 0 , а ее ходовой конец находится на границе раздела. Отношение сигнал/шум к 2(ке) определяется выражением (1) при соответствующем значении ке.
Вторая ситуация будет относиться к расположению всей активной части антенна на поверхности. Здесь действующая высота ке0 максимальна, поскольку действующая длина антенны равна ее геометрической длине, и отношение сигнал/шум в этом случае определится формулой
2 Е2
к2(кео) =12 Ь . ■ (4)
Е21 + Е21(кео)]Л/
Для анализа влияния глубины нахождения антенны удобно рассмотреть отношение, в
= = ^ (5)
котором отсутствуют поле сигнала и полоса приема
к2 = =[е2Я + Е!(кео)| = 1 + д!о
к2(кео) 1 + д2'
где введены обозначения
^ю = Е10; д = (6)
2
Параметр 5 к определяет ухудшение качества приема при заглублении активной части антенны.
На практике эквивалентное поле шумов антенны существенно ниже уровня атмосферных шумов над границей раздела сред, что будет показано ниже. Поэтому д2 «1 и д20 «1, что позволяет выполнить разложение в ряд Тейлора выражение (5) относительно этих параметров. Удерживая члены только низшего порядка малости, получим следующее выражение
5 к2 = 1 -Л(5 к2), (7)
где
Д(8 h2) = q2
' h2 ^ 1 h 2
V he0 У
(8)
При расположении всей антенны на поверхности действующая высота максимальна, поэтому ке < ке0, Л(5 к2) > 0 и 5 к2 < 1. Отношение сигнал/шум при погружении антенны уменьшается, что является естественным. Степень же этого уменьшения определяется параметром д1, являющимся отношением собственных шумов антенны и атмосферных шумов над поверхностью раздела (6).
Выполним оценку максимально возможных значений вариаций отношения
сигнал/шум 5 к для частоты 20 кГц.
Чувствительность современных выносных антенных усилителей в диапазоне сверхдлинных волн оценивается как иа1« 3 иВЛ/Гц . При угле буксировки 0 = 5° действующая высота полностью погруженной антенны, рассчитанная по методике, изложенной в монографии [2] и с учетом формулы (3), ке = 7,2 мм. В соответствии с формулой (2)
эквивалентное поле шумов антенны Еа1« 0,42 мкВ/мТГц .
Атмосферные шумы оцениваются по рекомендациям МСЭ [4]. На рис. приводятся суточный и сезонный ход медианных значений (вероятность р = 0,5) уровня этих шумов, отнесенных к полосе 1 Гц, для Баренцева моря.
Transmission, reception and processing of signals 23
ТЕХНИКА СРЕДСТВ СВЯЗИ
№ 1 (165) - 2024
(70.0° с.ш., 40.0° в.д.) f= 20.0 кГц df= 1.0 Гц p=0.50
10 12 14 16 18
Местное время, ч
Уровни атмосферных помех, дБ относительно 1 мкВ/м
Рис. Величины суточного и сезонного хода медианных значений уровня атмосферных шумов [4]
Для других районов такие данные могут заметно отличаться, однако экстремальные значения уровня шума примерно такие же. Нас интересуют минимальные значения шума Eat1, определяющие максимально возможные значения параметров q1 и, соответственно,
A(ôh2). Из рис. следует, что min Eat1 « 4 дБ « 1,6 мкВ/м л/гЦ . Далее из формулы (6)
следует, что при этом max qj2 « 0,07, а A(ô h2) < 0,07, поскольку множитель в скобках
2
формулы (8) меньше единицы. Введенный в рассмотрение по формуле (5) параметр 8 h2 « 1.
Таким образом, расположение всей активной части антенны на поверхности воды дает увеличение отношения сигнал/шум не более, чем на 1 % по сравнению с полностью погруженной антенной. Такой результат не следует считать неожиданным, поскольку ввиду экспоненциального затухания поля напряжение сигнала и внешнего атмосферного шума формируется на сравнительно небольшом участке кабеля, примыкающего к ходовому концу, где затухание еще сравнительно невелико.
Литература
1. Соловьев В. И., Новик Л. И., Морозов И. Д. Связь на море. Судостроение. Л.: 1978.
2. Додонов А. В., Михеев А. Ф. Подводный радиоприем. М.: Воениздат, 1996.
3. Макаров Г. И., Новиков В. В., Рыбачек С. Т. Распространение электромагнитных волн над земной поверхностью. М.: Наука, 1991.
4. Рекомендации МСЭ-R. Р.372.13 (09/2016). Радиошум.
References
1. Solovyov V. I., Novik L. I., Morozov I. D. Svyaz" na more [Communication at sea]. Sudostroenie Shipbuilding Publ., Leningrad. 1978. (in Russian).
2. Dodonov A. V., Mikheev A. F. Podvodny j radiopriem [Underwater radio reception]. Moscow. Voenizdat Publ., 1996. (in Russian).
3. Makarov G. I., Novikov V. V., Rybachek S. T. Rasprostranenie e'iektromagnitny'x voln nad zemnoj poverxnosfyu [Propagation of electromagnetic waves over the Earth's surface]. Moscow. Nauka Publ., 1991. (in Russian).
4. ITU-R recommendations. P.372.13 (09/2016). Radioshum [Radio noise]. (in Russian).
Статья поступила 04 февраля 2024 г.
Информация об авторах
Акулов Валерий Семёнович - Кандидат технических наук. Старший научный сотрудник. Старший научный сотрудник научно-исследовательского центра
телекоммуникационных технологий ВМФ, корабельных комплексов и средств обмена информацией и разведки (НИЦ ТТ ВМФ КК СОИ Р) НИИ ОСИС ВМФ ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Область научных интересов: повышение эффективности обеспечения радиосвязи с морскими объектами. Тел.: +7(812)5429054.
Угрик Лариса Николаевна - Кандидат технических наук. Старший научный сотрудник. Старший научный сотрудник НИЦ ТТ ВМФ КК СОИ Р НИИ ОСИС ВМФ ВУНЦ ВМФ "Военно-морская академия". Область научных интересов: повышение эффективности обеспечения радиосвязи с морскими объектами. Тел.: +7(812)5429054.
Жебрун Антон Михайлович - Заместитель директора научно-технического центра по научной работе. Публичное акционерное общество «Информационные телекоммуникационные технологии» (ПАО «Интелтех»). Область научных интересов: разработка систем телекоммуникаций специального назначения. Тел.: +7(812)4489658. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская, д. 8.
The influence of the towing depth of the exhaust receiving antenna on the reception quality
V. S. Akulov, L. N. Ugrik, A. M. Zhebrun
Annotation: The article discusses the influence of the towing depth of the exhaust receiving antenna on the reception quality in the ultra-longwave range. Approaches have been investigated in which, depending on the towing mode, part of the antenna may end up on the water surface. The answer to the question is given: does such an antenna arrangement have an advantage in terms of reception quality. Two limiting cases with obtaining mathematical expressions are considered: when the antenna is towed at a certain angle, and its running end is located at the inter/ace between two media; when the entire active part of the antenna is located on the surface. It has been proven that the location of the entire active part of the antenna on the surface of the water gives an increase in the signal-to-noise ratio by no more than one percent compared to a fully submerged antenna. This result obtained in the study is based on the fact that due to the exponential attenuation of the field, the signal voltage and external atmospheric noise are formed on a relatively small section of cable adjacent to the running end, where attenuation is still relatively small. The effects described in the article are applicable to provide communication with deep-submerged underwater objects.
Keywords: atmospheric noise, exhaust cable antenna, ultra-long waves, equivalent antenna noise field.
Information about Authors
Akulov Valery Semenovich - Candidate of Technical Sciences. Senior Researcher at the Research. The Scientific Research Center for Telecommunications Technologies of the Navy, Ship Complexes and means of information Exchange and Intelligence of the Scientific Research Institute of the OSIS of the Navy VUNTS of the Navy "Naval Academy" Tel.: +7 (812)5429054.
Ugrik Larisa Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher at the Research. The Scientific Research Center for Telecommunications Technologies of the Navy, Ship Complexes and means of information Exchange and Intelligence of the Scientific Research Institute of the OSIS of the Navy VUNTS of the Navy "Naval Academy" Tel.: +7(812)54290-4.
Zhebrun Anton Mikhailovich - Deputy Director of the Scientific and Technical Center for Scientific Work. Public Joint Stock Company "Information Telecommunication Technologies" (PJSC "Inteltech"). Research interests: development of special purpose telecommunications systems. Tel.: +7(812)4489658. Email: intelteh@inteltech.ru. Address: 197342, Russia, St. Petersburg, Kantemirovskaya St. 8
Для цитирования: Акулов В. С., Угрик Л. Н., Жебрун А. М. Влияния глубины буксировки выпускной приемной антенны на качество приема // Техника средств связи. 2024. № 1 (165). С. 22-25. DOI: 10.24412/2782-2141-2024-1-22-25.
For citation: Akulov V. S., Ugrik L. N., Zhebrun A. M The influence of the towing depth of the exhaust receiving antenna on the reception quality Means of Communication Equipment. 2024. No. 1 (165). Pp. 22-25. (in Russian). DOI: 10.24412/2782-2141-2024-1-22-25.
