Система радиосвязи

 

Изобретение относится к области радиотехники и более конкретно - к системам радиосвязи между пунктами управления, расположенными в среде с потерями, и может быть использовано для обеспечения связи между подземными объектами.

Целью изобретения является разработка системы радиосвязи, обеспечивающей повышение энергетики радиоканала при связи между пунктами, расположенными в среде с потерями.

Заявленное устройство включает на передающем пункте связи радиопередатчик 1, а на приемном - радиоприемник 4, подключенные к антеннам 2, 5, заглубленным в среду с потерями 3. На каждом пункте связи установлены источники поля смещения 6, 7, выходы которых подключены к смещающим электродам 8, 9, размещенным также в среде с потерями и изолированным от нее диэлектрическими оболочками. Дополнительно смещающие электроды могут быть подключены через фильтры ко входам изолированной от среды с потерями антенны. Увеличение энергетики в системе радиосвязи достигается за счет снижения потерь в среде, расположенной непосредственно над антенной и повышения КПД антенн благодаря изменению макроскопических параметров локального объема среды, примыкающей к местам установки антенн. 4 з. п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и более конкретно - к системам радиосвязи между пунктами, расположенными в среде с потерями, и может быть использовано для обеспечения связи между подземными объектами.

Известна система для обеспечения радиосвязи между подземными сооружениями (патент США N 3967201, МПК H 04 В 13/02, опубл. 29.06.1976г.), которая содержит на каждом пункте связи приемопередатчик с антенной. Повышение энергетики обеспечивается за счет использования антенн магнитного типа, однако, данного условия недостаточно для обеспечения работы на более высоких частотах (> 100 кГц) из-за значительного затухания электромагнитных волн в полупроводящей среде.

Известна система радиосвязи между корреспондентом, расположенным в атмосфере, и подводным объектом (патент США N 3867710, МПК H 04 В 13/02, H 01 Q 1/04, опубл. 18.02.1975г.), которая содержит проводящие устройства, расположенные на поверхности воды над подводным объектом. Проводящие устройства подключены к вспомогательному приемопередатчику. Сигналы, приходящие от корреспондента, расположенного в атмосфере, наводят на проводящем устройстве сигнал, который преобразуется вспомогательным приемопередатчиком и излучается в направлении подводного объекта. Однако, такое устройство также не позволяет использовать для радиосвязи более высокие частоты из-за низкой энергетики линии связи между подводным объектом и вспомогательным приемопередатчиком.

Наиболее близким по своей технической сущности аналогом (прототипом) к заявленному устройству является система передачи сигналов из под земли (патент США N 2992325, опубл. 11.07.1961Г.). Прототип содержит радиоприемник и радиопередатчик с антеннами, заглубленными в полупроводящую среду. Повышение энергетики радиолинии между радиоприемником и радиопередатчиком в прототипе достигается за счет применения антенных решеток, обладающих направленными свойствами.

Недостатком данного устройства является низкая энергетика линии связи за счет малого значения коэффициента полезного действия антенной системы, а также потерь при распространении электромагнитной волны в полупроводящем грунте, окружающем антенну и расположенным над ней.

Повышение энергетики за счет построения многоэлементных антенных решеток требует больших материальных затрат. Кроме того, фазирование подземных антенных решеток является трудоемкой и дорогостоящей процедурой ввиду неоднородности среды с потерями, в которую погружены антенны.

Целью изобретения является создание системы радиосвязи с повышенной энергетикой линии связи между объектами, расположенными в среде с потерями.

Поставленная цель достигается тем, что в известной системе радиосвязи, включающей на передающем пункте связи радиопередатчик, а на приемном - радиоприемник и подключенные к ним антенны, размещенные в среде с потерями, дополнительно на каждом пункте связи введен источник поля смещения (ИПС). Выходы ИПС подключены к смещающим электродам (СЭ), размещенным в полупроводящей среде симметрично по обе стороны от антенны. СЭ изолированы от среды с потерями.

СЭ выполнены в виде двух групп проводников. Каждый проводник заключен в диэлектрическую оболочку. Каждая группа состоит из N параллельных проводников (N=1,2,3,...) связанных между собой электрически и расположенных в одной плоскости. Плоскости, в которой расположены проводники первой и второй групп, параллельны. В другом исполнении СЭ может быть выполнен в форме N-витковой рамки, охватывающей место расположения антенны. Провод рамки также заключен в диэлектрическую оболочку. СЭ могут быть установлены в вертикальной или горизонтальной плоскостях. В качестве ИПС может использоваться как генератор постоянного напряжения (ГПН), так и импульсный генератор (ИГ). Дополнительно выходы ИПС могут быть подключены через фильтры ко входам антенны радиопередатчика, проводники которой изолированы от среды с потерями.

Новая совокупность признаков обеспечивает снижение тепловых потерь в локальном объеме среды, непосредственно окружающем антенну, благодаря изменению макроскопических параметров среды в этом объеме, что в конечном итоге обуславливает повышение энергетики канала радиосвязи или увеличение дальности радиосвязи при сохранении энергетики.

На фиг.1 - показана общая структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2, 3, 4, 5 - варианты исполнения и размещения смещающих электродов; на фиг. 6 - вариант размещения смещающих электродов при использовании многоэлементных решеток; на фиг. 7 - схема подключения источника поля смещения к антенне радиопередатчика; на фиг. 8 - вариант схемы фильтра; на фиг.9 - вариант построения каскадного генератора.

Предлагаемое устройство, показанное на фиг. 1, состоит из радиопередатчика 1, расположенного на передающем пункте связи. К выходу радиопередатчика 1 подключена антенна 2, размещенная в среде с потерями 3 на глубине Н (в частном случае - в земле). На приемном пункте связи размещен радиоприемник 4, подключенный входами к антенне 5, также размещенной на глубине Н в среде с потерями 3.

Подземные антенны могут, в частном случае, быть выполнены в виде горизонтальных симметричных вибраторов из проводников, заключенных в диэлектрическую оболочку.

На передающем и приемном пунктах связи установлены источники поля смещения (ИПС) соответственно 6 и 7. Выходы ИПС подключены к смещающим электродам (СЭ) 8 (на передающем пункте связи) и 9 (на приемном). СЭ 8 и 9 размещены в среде с потерями симметрично относительно антенн. СЭ могут быть реализованы в нескольких вариантах. На фиг. 2 показан вариант, в котором СЭ выполнены в виде двух групп по N прямолинейных проводников 10 в каждой группе. Проводники 10 заключены в диэлектрические оболочки 11 диаметром d (см. также фиг. 1). СЭ подключены к выходам ИПС 6 (7) с помощью проводников 12, также заключенных в диэлектрическую оболочку. Проводники 10 в каждой группе электрически связаны друг с другом, расположены в одной плоскости и подключены к соответствующему выходу ИПС. Причем плоскости, в которых расположены проводники 10 первого и второго СЭ должны быть параллельны. В частности, на фиг. 2 при горизонтальном расположении СЭ все проводники расположены в одной плоскости. Первые и вторые группы прямолинейных проводников 10, образующих СЭ, могут быть установлены также и в вертикальных плоскостях (фиг. 3).

На фиг. 4 показан вариант выполнения СЭ в виде рамки (в общем случае она может быть N-витковая). Входы рамки подключены к соответствующим выходам ИПС 6 (7). Провод рамки также заключен в диэлектрическую оболочку. Рамку устанавливают симметрично относительно центра антенны. Предпочтительным является чтобы плоскость рамки совпадала с плоскостью, в которой расположена антенна. Однако в общем случае рамка может устанавливаться в промежутке между антенной и границей раздела земля воздух на высоте Н' от плоскости расположения антенны, (см. фиг. 5).

При использовании СЭ в виде прямолинейных проводников их число в группе N и расстояние "к" между примыкающими проводниками (см. фиг. 1,2,3) выбирают исходя из габаритов антенны, глубины ее погружения в среду с потерями, рабочей длины волны радиоканала и варианта установки СЭ (вертикального или горизонтального).

При горизонтальном размещении проводников СЭ, как показали экспериментальные исследования, можно ограничиться применением в каждой группе двух проводников, т. е. N= 2. Дальнейшее увеличение числа проводников в группе (N>2) практически не приводит к заметному увеличению энергетики радиоканала. Расстояние "к" выбирают в пределах (0, 05... 0,1 min, где min - минимальная длина волны рабочего диапазона волн в среде с потерями.

Длина проводников 1 и расстояние D между СЭ зависит от типа используемых антенн. В случае применения одноэлементных линейных излучателей (фиг. 1) длина проводников 1 и расстояние D между проводниками, примыкающими к антенне и принадлежащих разным СЭ, выбирают из условий: min > l > min ; D = (1,5... 2)h, где h - общая длина плеч антенны, max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн. При этом проводники устанавливают симметрично относительно продольной оси антенны (оси 0-0').

При использовании многоэлементных подземных антенных решеток со сторонами апертуры A1 и A2 (фиг. 6) размеры СЭ выбирают из условий 1 > 1,5 A1 ; D = (1,5... 2) A2.

Горизонтальная установка СЭ (Фиг. 2) предпочтительна при размещении антенн на глубине H, не превышающей 0,25 min. В случае, когда Н > 0,25 min целесообразна вертикальная установка СЭ (фиг. 3). При этом длина проводников выбирается в пределах 1 = (0,8 ... 1)Н. Причем проводники вертикально устанавливают таким образом, чтобы плоскость, в которой расположена антенна, пересекала проводники СЭ в точках, расположенных от их нижних концов на расстоянии 1', составляющем примерно одну треть длины проводников 1 (точки "с" на фиг. 3), т.е. 1' = 0,31.

СЭ, выполненный в виде рамки, должен иметь периметр "р", полностью охватывающий антенну. При этом минимальное расстояние от провода рамки до проводника антенны Dmin (фиг. 4) должно выбираться в пределах (0,2...0,3)max. При размещении антенн в средах с потерями, имеющих удельную проводимость <10См/м, допустимо в качестве СЭ применять одновитковую рамку (N = 1). В средах с > 10-2 См/м число витков необходимо увеличить до N > 5...10.

На передающем пункте СЭ могут быть дополнительно через фильтры 13 подключены к входам антенны (фиг. 7). В качестве фильтра можно использовать, например, Т-образную схему, показанную на фиг. 8. Элементы фильтра рассчитывают исходя из рабочего диапазона частот радиоканала по известным правилам, изложенным, например в книге: Микроэлектронные устройства СВЧ. Под ред. Г.И.Веселова М., Высшая школа, 1988, с. 91, 92.

Однако в схеме выходного контура передатчика необходимо предусмотреть развязку выходного каскада по высокому напряжению от ИПС. Схемы таких выходных контуров известны, см., например, книгу: Финкельштейн Л.А., Гиршман н.т. Антенные контуры широкодиапазонных KB передатчиков. - М.,-Л., Гос энергоиздат, 1960, с. 65, рис. 3.13.

В качестве ИПС 6,7 могут использоваться либо генератор постоянного напряжения (ГПН), либо импульсный генератор (ИГ).

ГПН - источник, у которого напряжение на выходных зажимах не зависит от свойств цепи, являющейся внешней по отношению к источнику (см. Белецкий А.Ф. Основы теории линейных электрических цепей. - М., Связь, 1967, с. 12). В частности одним из наиболее экономичных ГПН (КПД > 0,9) является каскадный генератор. Каскадный генератор - устройство, преобразующее низкое переменное напряжение в высокое постоянное напряжение (см. Физический энциклопедический словарь. М. , Сов. энциклопедия, 1983, с. 224). Схема построения каскадного генератора показана на фиг. 9. Подробно правила расчета элементов каскадного генератора изложены в книге: Альбертинский Б. И., Свиньин М.П. Каскадные генераторы - М., 1980, с. 130-150.

В качестве ИГ можно использовать известные схемы их построения, описанные в книге: Усов А.Ф., Семкин Б. В., Зиновьев Н.Т. Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии.- Л., Наука, 1987, с. 120-130.

СЭ должны подключаться к ИПС также изолированными от среды с потерями проводами 12. Практически это могут быть провода в диэлектрической оболочке, из которых выполнены СЭ.

Диаметр диэлектрической оболочки d на проводах СЭ выбирается исходя из величины развиваемого на выходе ИПС напряжения из условия: d [см] > [кВ], где - эмпирический коэффициент, имеющий размерность см/кВ и величину = (0,1... О, 5) [см/кВ].

Необходимая величина напряжения на выходе ИПС 0 = D[m], где - эмпирический коэффициент, равный = (30... 50) кВ/м.

Заявленное устройство работает следующим образом.

В системах радиосвязи, в которых антенные устройства расположены в среде с потерями (земле), энергетика определяется в основном двумя обстоятельствами. Во-первых, коэффициентом полезного действия антенных устройств. Низкий КПД подземных антенн обусловлен резким затуханием тока вдоль провода антенны из-за потерь, возникающих в среде, непосредственно окружающей проводник, в которой в основном сосредоточено связанное реактивное поле антенны. Во-вторых, затуханием излученной антенной электромагнитной волны (ЭВМ) в толще среды, расположенной над местом ее заложения.

Уровень потерь, обусловленных указанными причинами, в значительной мере определяется соотношением плотности токов проводимости 1пр и токов смещения 1см, возникающих в среде, при работе передатчика. В свою очередь соотношение плотности этих токов пропорционально значениям макроскопических параметров среды: диэлектрической проницаемости r и удельной проводимости , т.е. 1пр/1см = (60 )/r, - длина ЭМВ.

Величина тока проводимости 1пр фактически будет определять возникающие в среде тепловые потери. Снизить величину тока проводимости можно изменив свойства локального объема среды, в пределах которого сосредоточена основная энергия связанного с антенной реактивного поля, и объема, через который основная часть излученного антенной поля выходит в верхнее полупространство (в воздух). Такое изменение может быть достигнуто, если в объеме среды, заключенном между смещающими электродами, создать электрическое поле смещения Есм. Под действием поля Есм свободные электроны, находящиеся в среде, будут смещены к положительному полюсу. Соответственно положительные ионы - к отрицательному полюсу. Причем благодаря диэлектрическим оболочкам на проводах элементов смещения свободные заряды оказываются связанными. Эти физические процессы эквивалентны снижению удельной проводимости локального объема среды между элементами смещения, т.е. уменьшению соотношения 1пр/1см в среде. Следовательно выходящая от антенны в верхнее полупространство ЭМВ будет испытывать меньшее затухание. Аналогичные физические процессы будут происходить и в окружающей антенну среде, если к ее изолированным от среды проводникам также подключить источник смещения. Отличие будет заключаться в том, что в этом случае наиболее концентрированная часть связанного с антенной реактивного поля будет замыкаться в объеме среды с измененными макроскопическими параметрами, что приведет к меньшему затуханию амплитуд тока, протекающего по проводам антенны, т.е. приведет к увеличению ее КПД.

Описанные процессы будут происходить и в режиме приема, что дополнительно повысит энергетику радиоканала в целом.

ГПН в качестве ИПС целесообразно использовать, когда среда с потерями, в которой установлены антенны, однородна. При неоднородной среде лучше применять в качестве ИПС - импульсный генераторы Допустимо и одновременное использование как ГПН, так и импульсного генератора. Однако каждый из этих генераторов должен быть подключен к отдельным СЭ. Например, ГПН - к ЭС в виде прямолинейных проводников, а импульсный генератор - к ЭС в виде рамки.

Экспериментальная проверка возможности достижения поставленной цели была выполнена на опытном образце заявленного устройства, включавшем: радиоприемник и радиопередатчик с антеннами, погруженными в землю на глубину Н = 1,7 м. В качестве антенн использованы полуволновые вибраторы, выполненные из проводников с диаметром поперечного сечения 2 мм, заключенных в диэлектрическую оболочку (фторопласт) диаметром d = 2 см.

СЭ в виде двух прямолинейных проводников длиной по 1 м каждый располагались по обе стороны от антенны на расстояние D = 2,4 м друг от друга. Выходная мощность передатчика Р1 - 1 кВт. Рабочая частота 100 МГц. ГПН служили каскадные генераторы, на выходах которых развивалось напряжение = 30 кВ.

Первоначально при выключенных ГПН измерялся уровень сигнала, создаваемый в пункте приема, который составил пр = 24 мВ. Одновременно была зафиксирована потребляемая мощность системой радиосвязи, которая составила 5000 кВА.

После включения ГПН уровень сигнала в пункте приема возрос до пр - 76 мВ. Одновременно возросла потребляемая мощность системой до 5050 кВА. Следовательно доля потребляемой мощности, приходящая на ГПН составила порядка 1%.

Полученные экспериментальные исследования дают основания для следующих выводов.

При использовании заявленной системы радиосвязи обеспечивается повышение уровня принятого сигнала в 108/24 = 3,16 раз.

В силу квадратичной связи мощности и уровня электрического поля легко определить уровень, до которого можно снизить мощность передатчика в заявленном устройстве Р', при котором достигается величина сигнала на приемном пункте такая же как и у прототипа: Р' - 1000/(4,5)2 = 100 Вт.

Передатчик такой выходной мощности потребляет порядка 500 ВА. С учетом потребляемой мощности ГПН, общая потребляемая мощность заявленной системы радиосвязи не превысит 550 ВА, т.е. имеет место выигрыш по потребляемой мощности в 5000/550 = 9 раз.

Таким образом при использовании заявленного устройства возможно либо существенное в 9 раз снижение потребляемой системой энергии при сохранении энергопотенциала радиолинии, либо увеличение энергетики канала в 3 раза при незначительном (не более 1%) увеличении потребляемой энергии.

Формула изобретения

1. Система радиосвязи, включающая на передающем пункте связи радиопередатчик, а на приемном радиоприемник и подключенные к ним антенны, размещенные в среде с потерями, отличающаяся тем, что на передающем и на приемном пунктах связи дополнительно введены источники поля смещения, выходы которых подключены к смещающим электродам, размещенным в среде с потерями симметрично по обе стороны от антенны и изолированным от среды с потерями.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что смещающие электроды выполнены в виде двух групп прямолинейных параллельных проводников по N связанных друг с другом электрических проводников в каждой группе, установленных в одной плоскости, или в форме N-витковой рамки (N 1, 2, 3), причем проводники смещающих электродов заключены в диэлектрическую оболочку.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что смещающие электроды установлены в среде с потерями вертикально или горизонтально.

4. Система по п. 1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что источник поля смещения выполнен в виде генератора постоянного напряжения или импульсного генератора.

5. Система по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающаяся тем, что выходы источника поля смещения дополнительно подключены через фильтры к входам антенны радиопередатчика, проводники каторой изолированы от среды с потерями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к системам радиосвязи, использующим особенности распространения радиоволн, и предназначено для организации двусторонней связи погруженного подводного объекта с надводным (наземным, космическим), в том числе при покрытии водной поверхности льдами

Изобретение относится к гидроакустике, к конструированию многоэлементных антенн шумопеленгования гидроакустических комплексов подводных лодок

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано при создании глубоководных антенн, ненаправленных в горизонтальной плоскости для режимов связи, освещения подводной обстановки, а также при исследовании Мирового океана

Изобретение относится к системам звукопоглощения и может быть использовано в судостроении, морском приборостроении

Изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к технике проводной связи, и может быть использовано для организации связи с глубокопогруженными подводными лодками

Изобретение относится к области связи и может быть использовано в системах телемеханики для диагностики и управления удаленными объектами по трубопроводу

Изобретение относится к технике передачи информации в проводящих средах с использованием электрических полей в качестве физического носителя информации

Изобретение относится к области техники связи и может быть использовано для связи с удаленными морскими объектами

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при организации двухсторонней связи погруженного в водную среду объекта, например подводной лодки, с подводным, надводным, наземным и воздушным объектами, в том числе при покрытии водной поверхности льдами
Наверх