СИСТЕМА РАДИОВЕЩАНИЯ И РАДИОСВЯЗИ В УКВ ДИАПАЗОНЕ Российский патент 1999 года по МПК H04B5/00 

Изобретение относится к радиовещанию и радиосвязи и предназначено для обеспечения: а) радиовещания в УКВ-ЧМ диапазоне и б) устойчивой радиосвязи в УКВ диапазоне подвижного приемопередатчика с оператором или другим подвижным приемопередатчиком при движении вдоль транспортной магистрали.

Поскольку система радиовещания может рассматриваться как частный случай радиосвязи (в случае радиовещания имеется неподвижный радиопередатчик и подвижные приемники, в случае радиосвязи неподвижный приемопередатчик и подвижные приемопередатчики), то далее в тексте заявки для краткости будем говорить только о системе радиосвязи, подразумевая, что данное изобретение может быть использовано и для реализации системы радиовещания.

Основой любой системы радиосвязи вдоль автомобильных и железных дорог, тоннелей, шахт и пр. являются слабоизлучающие линии передач. В данном изобретении рассмотрены два варианта системы связи: на основе воздушной (подвешенной над полотном дороги) двухпроводной линии передачи и на основе невыступающей ("утопленной" в полотно дороги) коаксиальной линии.

Известна радиочастотная система связи, использующая излучающие передающие линии на базе воздушной (размещенной над полотном дороги) линии передачи (ЛП), в качестве которой применяется двухпроводная линия с однонаправленными усилителями (патент Великобритании N 2084430, кл. H 04 B 5/00, публ. 1982 г.).

Однако, для воздушной двухпроводной линии, в том числе и известного устройства, выбранного в качестве прототипа по первому варианту изобретения, не рассматривалась возможность изменения коэффициента связи ЛП с приемной антенной, позволяющая существенно улучшить равномерность распределения электромагнитного поля по трассе и снизить уровень высокочастотной (ВЧ) мощности, необходимой для обеспечения требуемой величины сигнала на участке между двумя соседними усилителями, поскольку действующее в Российской Федерации нормы предельно допустимого уровня электромагнитных полей накладывают жесткие ограничения на мощность используемых в системе передатчиков и усилителей.

Известна система связи с индуктивным носителем, основанная на индуктивной связи, в которой радиосигнал от передатчика передается по магистральному коаксиальному кабелю, проложенному вдоль транспортной магистрали. Параллельно кабелю в покрытии каждой из дорожных полос проложены два индуктивных провода в виде изолированных спиралей. Между магистральным кабелем и индуктивными проводами имеются элементы связи, расположенные через 800-1600 м. Связь между индуктивными проводами и приемным устройством, установленном на подвижном объекте, осуществляется в ближнем поле (патент США N 4006315, кл. H 04 B 5/00, публ. 1977 г.).

Указанное устройство выбрано в качестве прототипа по второму варианту изобретения.

Однако, использование ближнего поля индуктивных проводов для связи с подвижным объектом возможно только в случае применения низких частот. Переход в УКВ диапазон приводит к резкому уменьшению области ближнего поля проводов, что не позволяет обеспечить устойчивую радиосвязь в пределах всего полотна магистрали по причине недостаточной равномерности распределения электромагнитного поля вдоль всей трассы.

Технический результат изобретения заключается в увеличении равномерности распределения электромагнитного поля вдоль трассы с одновременным снижением требуемой мощности передающей станции и усилителей, а также в обеспечении линейного закона изменения фазы бегущей волны для исключения возникновения искажения электромагнитных сигналов, что в конечном итоге позволяет обеспечить устойчивую качественную радиосвязь.

Как известно, коэффициент затухания в линии передачи определяется, в основном, потерями в проводах линии передач. Наличие потерь в ЛП приводит к тому, что напряжение, а с ним и уровень сигнала в приемной антенне, экспоненциально убывает при движении вдоль дороги в пределах расстояния между соседними усилителями-ретрансляторами (т.е. в пределах длины плеча связи). Это приводит к тому, что для обеспечения требуемого уровня сигнала на дальнем конце линии уровень сигнала и необходимый уровень мощности на противоположном конце участка линии должны возрастать, что может привести к превышению допустимых норм напряженности ВЧ-поля на трассе. Выход из этой ситуации состоит в уменьшении расстояния между усилителями-ретрансляторами. Однако, такой путь ведет к увеличению числа усилителей на единицу длины трассы и соответствующему увеличению стоимости системы.

Технический результат достигается тем, что равномерное (в среднем) распределение электромагнитного поля вдоль трассы обеспечивается скачкообразным изменением коэффициента связи между линией передачи и приемной антенной подвижного приемопередатчика. А обеспечение линейного закона изменения фазы бегущей волны достигается за счет фазовой коррекции полезного сигнала.

По первому варианту изобретения технический результат достигается тем, что двухпроводная линия передачи в пределах плеча связи разделена на N секций, в каждой из которых расстояние между проводами линии передачи больше, чем в предыдущей секции (в направлении распространения сигнала), а к выходу каждого однонаправленного усилителя подключен фазовый корректор.

Дополнительный технический результат заключается в обеспечении равномерности облучения всей ширины проезжей части магистрали. Это достигается за счет организации управляемого распределения поля в поперечной по отношению к магистрали плоскости путем использования экрана, расположенного параллельно линии передачи на расстоянии порядка четверти длины волны λ, на которой осуществляется радиосвязь, и состоящего из нескольких (больше чем двух) проводов, гальванически связанных между собой.

По второму варианту изобретения технический результат достигается тем, что вдоль излучающего кабеля расположены Г-образные вибраторы, одно плечо каждого из которых ориентировано параллельно, а второе - перпендикулярно излучающему кабелю. При этом, путем изменения расстояния от Г-образного вибратора до излучающего кабеля и длины ориентированного параллельно излучающему кабелю плеча Г-образного вибратора, изменяется величина связи Г-образного вибратора с изучающим кабелем, и тем самым обеспечивается более равномерное (в среднем) распределение напряженности электромагнитного поля вдоль дороги. Кроме того, к выходу каждого однонаправленного усилителя подключен фазовый корректор.

На фиг. 1 представлена система радиосвязи в случае использования воздушной двухпроводной линии передачи.

На фиг. 2 представлена система радиосвязи в случае использования подземного излучающего кабеля.

Система радиосвязи по первому варианту изобретения (фиг. 1) содержит воздушную двухпроводную линию передачи, представляющую собой два провода 1 и 2 диаметром d, отстоящих друг от друга на расстоянии D и расположенных на высоте h от полотна дороги, однонаправленный усилитель 3, фазовый корректор 4, подвижный приемопередатчик 5 и экран 6.

В пределах плеча связи L двухпроводная линия передачи разделена на N секций, в каждой из которых расстояние между проводами линии больше, чем в предыдущей секции.

Передатчик базовой станции (на фиг. 1 не показан) передает информацию по двухпроводной линии передачи. При прохождении сигнала одной секции линии его амплитуда экспоненциально убывает. Поскольку напряженность электромагнитного поля и, следовательно, коэффициент связи между линией передачи и приемной антенной пропорциональны расстоянию D между проводами линии передачи, то, изменяя (увеличивая) расстояние D по мере удаления от передатчика (усилителя), можно изменять (увеличивать) коэффициент связи.

Скачкообразный переход на последующую секцию приводит к скачкообразному же возрастанию напряженности поля с последующим его экспоненциальным убыванием. Величина скачков коэффициентов связи, а, соответственно, длина секции и расстояние D могут быть оптимизированы при проектировании системы. Одновременно с изменением расстояния D между проводами линии передачи пропорционально изменяется и их диаметр d, что обеспечивает равенство волновых сопротивлений и отсутствие отражений.

Для восстановления требуемого уровня ВЧ сигнала на каждом участке трассы в пределах плеча связи необходимо наличие однонаправленных усилителей 3. Подключение усилителя 3 приводит к появлению не только скачка амплитуды, но и скачка фазы напряжения в точке включения усилителя 3. При движении объекта 5 мимо этих точек присущая антенна будет воспринимать фазовые скачки поля как фазовую манипуляцию сигнала. При наличии фазовой обработки такая фазовая манипуляция будет восприниматься как искажение полезного сигнала. Для устранения таких искажений на выходе каждого усилителя 3 включен фазовый корректор 4, который компенсирует фазовый скачок (до величины 2 π ) во всей требуемой полосе частот. Таким образом обеспечивается линейное распределение фазы сигнала в продольном направлении и отсутствие искажений.

Для обеспечения возможности управления распределением электромагнитного поля в плоскости, перпендикулярной магистрали, используется экран 6, состоящий из гальванически связанных между собой нескольких (больше чем двух) проводов, и располагаемый параллельно линии передачи на расстоянии порядка четверти длины волны λ от нее.

Такой экран 6 позволяет формировать структуру поля в поперечной по отношению к магистрали плоскости, устраняет бесполезное излучение ВЧ электромагнитной энергии в верхнее полупространство, позволяет расположить за ним необходимую передающую аппаратуру и устройства питания без вредного влияния на режим в линии передачи и дает возможность подводить низкочастотную электроэнергию ко всем элементам аппаратуры вдоль всей трассы, оставляя провода линии передачи под одним и тем же потенциалом по низкой частоте, чем повышается безопасность системы.

Система по второму варианту (фиг. 2) содержит излучающий кабель (ИК) 7, Г-образный вибратор 8, однонаправленный усилитель 9, фазовый корректор 10 и подвижный приемопередатчик 11.

Система радиосвязи работает следующим образом.

Линия передачи расположена под полотном магистрали, например, в диэлектрической коробе. В качестве линии передачи использован излучающий кабель 7. Под полотном магистрали вдоль излучающего кабеля 7 расположены Г-образные вибраторы 8, одно плечо каждого из которых ориентировано параллельно, а второе - перпендикулярно ИК 7. Передатчик базовой станции (на фиг. 2 не показан) передает информацию по ИК 7, ИК 7 возбуждает Г-образные вибраторы 8, которые, в свою очередь, возбуждают вертикальную компоненту электрического поля, формирующую в полотне и над полотном магистрали боковую волну, поле которой достаточно медленно спадает в направлении ориентированного перпендикулярно к ИК 7 плеча Г-образного вибратора 8. Плечо Г-образного вибратора 8, ориентированное параллельно ИК 7. является эффективным элементом связи (типа направленного ответвителя), при этом эффективность связи обеспечивается подбором длины ориентированного параллельно плеча Г-образного вибратора 8 и его расстоянием до ИК 7.

Выравнивание напряженности электромагнитного поля вдоль линии передачи, как и в первом варианте изобретения, достигается тем, что плечо связи разбивается на N секций, в каждой из которых коэффициент связи Г-образного вибратора с ИК остается постоянным, а при переходе от одной секции к другой (с удалением от передатчика базовой станции) связь Г-образных вибраторов с ИК увеличивается. Таким образом осуществляется выравнивание уровня электромагнитного поля вдоль магистрали, позволяющее снизить число усилителей и обеспечить более качественный прием сигнала.

Достаточно медленное убывание напряженности электромагнитного поля в поперечном сечении магистрали обеспечивается тем, что одно из плеч Г-образного вибратора ориентировано перпендикулярного к ИК. Это плечо вибратора эффективно возбуждает боковую волну, которая более медленно убывает в поперечном сечении магистрали по сравнению с полем ИК. Вследствие потерь энергии в кабеле, покрытии магистрали и потерь на излучение амплитуда сигнала падает через некоторое расстояние до малой величины, не обеспечивающей надежный прием сигнала подвижным приемопередатчиком. Для обеспечения необходимого уровня сигнала через определенное расстояние (плечо связи) включаются однонаправленные усилители 9. Для обеспечения линейного закона изменения фазы бегущей волны и исключения возникновения искажений электромагнитных сигналов за счет скачкообразного изменения фазы в точках включения усилителей 9 система снабжена фазовыми корректорами 10, включенными на выходе усилителя 9. Фазовый корректор 10 компенсирует фазовый скачок (до величины 2 π ) во всей требуемой полосе частот.

Изобретение относится к радиовещанию и радиосвязи в УКВ диапазоне вдоль автомобильных и железнодорожных дорог, тоннелей, шахт и пр. на основе воздушной двухпроводной линии передачи и на основе невыступающей коаксиальной линии. По первому варианту система связи содержит воздушную двухпроводную линию передачи, в пределах плеча связи которой включен однонаправленный усилитель с фазовым корректором. Линия передачи в пределах плеча связи разделена на N секций. В каждой секции расстояние между проводами больше, чем в предыдущей секции. Диаметр проводов линии передачи пропорционален расстоянию между ними. На расстоянии порядка четверти длины волны λ, на которой осуществляется радиосвязь, параллельно линии передачи расположен экран, состоящий из нескольких (больше чем двух) проводов, гальванически связанных между собой. По второму варианту система связи содержит подземный излучающий кабель, в пределах плеча связи которого включен однонаправленный усилитель с фазовым корректором. Вдоль излучающего кабеля расположены Г-образные вибраторы, одно плечо каждого из которых ориентировано параллельно, а второе - перпендикулярно излучающему кабелю. Технический результат, достигаемый при реализации группы изобретений, заключается в увеличении равномерности распределения электромагнитного поля вдоль трассы с одновременным снижением требуемой мощности передающей станции и усилителей, а также в обеспечении линейного закона изменения фазы бегущей волны для исключения возникновения искажения электромагнитных сигналов. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Система радиовещания и радиосвязи в УКВ диапазоне, содержащая воздушную двухпроводную линию передачи, включающую в пределах плеча связи однонаправленный усилитель, и подвижный приемопередатчик, отличающаяся тем, что двухпроводная линия передачи в пределах плеча связи разделена на N секций, в каждой из которых расстояние между проводами линии больше, чем в предыдущей секции, а к выходу каждого однонаправленного усилителя подключен фазовый корректор. 2. Система радиовещания и радиосвязи по п.1, отличающаяся тем, что параллельно линии передачи на расстоянии, порядка четверти длины волны λ, на которой обеспечивается радиосвязь, расположен экран, состоящий из более чем двух проводов, гальванически связанных между собой. 3. Система радиовещания и радиосвязи по п.1, отличающаяся тем, что диаметр проводов линии передачи пропорционален расстоянию между ними. 4. Система радиовещания и радиосвязи в УКВ диапазоне, содержащая подземный излучающий кабель, включающий в пределах плеча связи однонаправленный усилитель, и подвижный приемопередатчик, отличающаяся тем, что вдоль излучающего кабеля расположены Г-образные вибраторы, одно плечо каждого из которых ориентировано параллельно, а второе - перпендикулярно излучающему кабелю, кроме того, к выходу каждого однонаправленного усилителя подключен фазовый корректор. 5. Система радиовещания и радиосвязи по п.4, отличающаяся тем, что излучающий кабель в пределах плеча связи разделен на N секций, в каждой из которых длина ориентированного параллельно излучающему кабелю плеча Г-образного вибратора и расстояние между ним и излучающим кабелем, отличны от длины ориентированного параллельно излучающему кабелю плеча Г-образного вибратора и расстояния между ним и излучающим кабелем другой секции.