CC BY
185
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
УДК i2t.39i.i74t В. П. КИСМЕРЕШКИН
А. В. КОЛЕСНИКОВ
Омский государственный технический университет
ВОЗМОЖНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
МАЛОГАБАРИТНЫХ
МАГНИТНЫХ АНТЕНН
ДЛЯ РАДИОСВЯЗИ ЗЕМНОЙ ВОЛНОЙ
Представлены результаты экспериментальных и теоретических работ по исследованию возможности применения малогабаритных магнитных антенн повышенной эффективности в системах средневолновой радиосвязи.
Ключевые слова: магнитная антенна, действующая высота, добротность, средневолновая радиосвязь.
Для обеспечения связи в труднодоступных районах, в морях, в полярной зоне и т.д. в военных и гражданских целях большое значение имеет мобильное радиооборудование. Особое место занимает диапазон средних волн (СВ), в котором существует возможность создания радиоканалов земных волн. Одна из основных проблем в подвижных радиосистемах на земных волнах — размеры и эффективность антенно-фидерного оборудования. Принято, что электрические размеры антенны определяются произведением кг, где г — минимальный радиус условной сферы, в которую может быть помещена антенна, к — волновое число. При кг >1 антенны относят к полноразмерным, при кг <1 антенны счи-
тают малогабаритными (МА). В диапазоне СВ полноразмерные антенны занимают десятки метров. Поэтому вопрос уменьшения размеров антенны с максимально возможным сохранением эффективности — актуальная задача на сегодняшний день.
Среди существующих вариантов таких антенн принято выделять два направления: антенны электрического (вибраторные) и магнитного (рамочные) типов. Установлено [1], что антенны электрического типа имеют значительно больший уровень реактивного сопротивления ХА, растущий с уменьшением размеров, чем магнитные антенны, у которых ХА при укорочении уменьшается. Также у магнитных антенн ХА не зависит от условий ближней зоны. Эти факты
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014
194
Н = (0,8 )3/2^, якг
(1)
где п — количество витков в каждом из колец, I — ток, текущий по кольцам, Я КГ — радиус колец:
= Ркг . 4а/р
(2)
С учетом характеристического импеданса свободного пространства Z0 [3]
Рис. 1. РКА (0,7Х0,7 м), радиус условной сферы г »0,5 м
приводят к преимуществу магнитных антенн перед вибраторными как по потерям в ближней зоне, так и по настройке и согласованию. Следовательно, в подвижных радиосистемах эти антенны предпочтительнее.
Тем не менее магнитные антенны имеют ряд существенных недостатков, присущих многим МА: растущие потери при уменьшении размеров, сложность резонансной перестройки в широкой полосе частот с сохранением КСВн и эффективности. Таким образом, усилия разработчиков направлены на повышение основного параметра МА — действу-
ЛД = иШХ = Цвм^ = 0,148
и
ВЫХ
Е
КГ
и
(3)
КГ
где икг — напряжение, подводимое к кольцам.
По результатам экспериментального исследования РКА в поле колец Г ельмгольца построен график ЛД, рассчитанный по (3) (рис. 2) и график изменения добротности О по частоте (рис. 3). В качестве излучателя использовался коаксиальный кабель с волновым сопротивлением ^=50 Ом.
По формуле
Ях = 20 (кЛ д )*
(4)
ющей высоты Л
В работе представлены результаты экспериментов по оптимизации ЛД рамочной МА повышенной эффективности (рамочной коаксиальной антенны, РКА) с электрическими размерами кг»0,02 (рис. 1). Диапазон рабочих частот РКА: 1,5^2,5 МГц.
Особенность антенны в том, что излучатель представляет собой коаксиальный кабель, в котором с помощью фазировки текущих по проводникам токов производится умножение тока и мощности излучения. Схема согласования позволяет согласовать антенну с 50-омным трактом с КСВн<1,2. Эксперименты с РКА проводились на стенде в поле колец Г ельмгольца. Каждое из колец представляет собой один виток проводника с периметром рКГ=5,6 м.
Определим ЛД. Напряженность поля, формируемого кольцами Гельмгольца [2]:
можно определить, что сопротивление излучения РКА составляет порядка 1 Ом. При сопротивлении потерь ЯП около 10 Ом, КПД»0,1.
С учетом полученных значений можно оценить возможность применения разрабатываемых антенн на радиотрассе земной волны, например, для прибрежной и морской зон, где средняя соленость воды (а = 5 См/м, е = 70), по графикам МСЭ «Кривые распространения земной волны для частот между 10 кГц и 30 МГц» [3]. Дальность связи 25 км и мощность приемопередатчика 10 Вт.
Напряженность поля Е0, формируемого изотропным излучателем в свободном пространстве на расстоянии 1 км от излучателя [4] в зависимости от подводимой к антенне мощности Р :
Е0 = 5470л/ра, [мкВ/м].
(5)
При мощности Ра = 10 Вт, Е0= 17,3 мВ/м.
КНД рамочной МА в свободном пространстве равен 2,14 dB в сравнении с изотропным излучателем.
Рис. 2. График действующей высоты РКА
Рис. 3. График добротности РКА
С учётом реальных условий влияния земли КНД» «(3-5) dBi. Взяв КПД«0,1, а КНД = 3dBi (1,41 раза), напряженность поля, формируемого РКА, равна
E0 = E*0 КПДКНД = 2,42 мВ/м.
(6)
Для выбранной радиотрассы на расстоянии 25 км уровень сигнала падает примерно в 30 раз [4]. Напряженность поля в точке приема
EПР = E0/30 = 81 мкВ/м.
(7)
Уровень шума в приемной антенне, используя медианное значение шума согласно рекомендациям МСЭ-Я Р.372-9 «Радиошум» [5], определяется как
Eш = Fш + 201од(/Мгч) + 101сд(В) - 99, (8)
где Eш выражено в dB к 1 мкВ/м и
в = ю^ь),
где Ь — ширина полосы приемной антенны в Гц.
РШ — коэффициент шума, который находится из [5].
Для частоты 2 МГц медианное значение напряженности шума в непромышленной зоне:
EШ = 70 + 20 1од(2) + 10 1од(40000) - 99 = 23 dB
или
E ш = 14 мкВ/м.
Отсюда отношение сигнал/шум для выбранной радиотрассы
С ^ = l5dB,
Ш PШ
Ш
где PШ
^шлд У и pпp = (Eпрлд У , ЯВХ — общее со-
ЯВХ ЯВХ
ности шума и полезного сигнала соответственно, индуцирующие ЭДС в антенне.
Таким образом, рамочные коаксиальные антенны, в основе работы которых лежит принцип умножения тока, имеют высокую действующую высоту (около 0,1 м, для сравнения у полноразмерного несимметричного вибратора высотой примерно 30 м действующая высота равна примерно 18 м) и высокую добротность (40-50). Также в исследованных антеннах возможно согласование с трактом приемопередатчика с уровнем КСВн£1,2, что позволяет предположить осуществление эффективной радиосвязи на расстоянии 25 км при мощности 10 Вт и отношении сигнал/шум порядка 15 dB.
Библиографический список
1. Кинг, Р. Антенны в материальных средах. В 2 кн. Кн. 2 / Р. Кинг, Г. Смит ; пер. с англ. — М. : Мир, 1984. — 824 с.
2. Кольца Гельмгольца [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://ш.wikipedia.org/wiki/Кольца_Г ельмгольца (дата
обращения: 12.12.2013).
3. Кривые распространения земной волны для частот между 10 кГц и 30 МГц [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.368-9-200702-IHPDF-R.pdf (дата обращения:12.12.2013).
4. Мейнке, Х. Радиотехнический справочник. В 2 т. Т. I / Х. Мейнке, Ф. В. Гундлах. — М., Л. : Гос. энерг. изд-во, 1960. — 417 с.
5. Радиошум [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.itu.int/dms_pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.372-9-200708-SHPDF-R.pdf (дата обращения: 12.12.2013).
противление по входу приемника, PШ и Pпр — мощ-
КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
КОЛЕСНИКОВ Андрей Викторович, аспирант кафедры «Средства связи и информационная безопасность».
Адрес для переписки: omstu.svch@mai1.ru
Статья поступила в редакцию 23.12.2013 г.
© В. П. Кисмерешкин, А. В. Колесников
Книжная полка
Айхлер, Ю. Лазеры. Исполнение, управление, применение / Ю. Айхлер, Г. И. Айхлер ; пер. с нем. Л. Н. Казанцевой. - 7-е изд. - М. : Техносфера, 2012. - 495 с.
Учебное издание содержит новейшие сведения о высокомощных диодных и твердотельных лазерах для ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучений, рассмотрены волоконные лазеры, ультракороткие световые импульсы, рентгеновские лучи и световые импульсы от лазеров на свободных электронах, а также их применение в медицинской диагностике и биофотонике.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
