СИСТЕМА РАДИОСВЯЗИ Российский патент 1998 года по МПК H04B13/02 

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 λ_min, где λ_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: λ_min > l > λ_min ; D = (1,5... 2)h, где h - общая длина плеч антенны, λ_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 λ_min. В случае, когда Н > 0,25 λ_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 D_min (фиг. 4) должно выбираться в пределах (0,2...0,3)λ_max. При размещении антенн в средах с потерями, имеющих удельную проводимость σ <10^-2См/м, допустимо в качестве СЭ применять одновитковую рамку (N = 1). В средах с σ > 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 ν из условия: d [см] > γν [кВ], где γ - эмпирический коэффициент, имеющий размерность см/кВ и величину γ = (0,1... О, 5) [см/кВ].

Необходимая величина напряжения на выходе ИПС ν₀ = βD_[m], где β - эмпирический коэффициент, равный β = (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 1_пр и токов смещения 1_см, возникающих в среде, при работе передатчика. В свою очередь соотношение плотности этих токов пропорционально значениям макроскопических параметров среды: диэлектрической проницаемости ε_r и удельной проводимости σ , т.е. 1_пр/1_см = (60 σλ)/ε_r, λ - длина ЭМВ.

Величина тока проводимости 1_пр 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 Е_см. Под действием поля Е_см 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 σ локального объема среды между элементами смещения, т.е. уменьшению соотношения 1_пр/1_см 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 ν = 30 кВ.

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

После включения ГПН уровень сигнала в пункте приема возрос до ν_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.

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.

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.