АВАРИЙНАЯ СИСТЕМА ВНУТРИКОРАБЕЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ Российский патент 2012 года по МПК H04B7/00 H01P3/127 

Предлагаемая система радиосвязи относится к области радиотехники и может быть использована для организации аварийной радиосвязи на подводных лодках, т.е. между изолированными экранированными помещениями.

Известно устройство для связи с абонентом, находящимся в экранированном фургоне транспортного средства по пат. ФРГ №3537107, Н04В 7/155, которое состоит из радиопередатчика, внешней антенны, внутренней антенны, соединительного фидера, усилителя мощности и приемника. Здесь соединительный фидер введен в фургон транспортного средства, где принятый сигнал усиливается усилителем и посредством внутренней антенны излучается внутри фургона.

Известна также система внутрикорабельной аварийной связи (патент РФ №2108671, Н04В 7/155 1985 г.). Система содержит симметричную направляющую линию, вдоль которой расположены абонентами приборы безбатарейной телефонной связи, малогабаритные приемопередатчики, портативные радиостанции и блоки сопряжения.

Недостатком этих систем связи является наличие элементов проводной связи (кабель или двухпроводная линия), которые могут выгореть при пожаре в отсеке, что значительно снижает ее надежность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является система внутрикорабельной аварийной связи (ВКС) по пат. РФ №2230431, Н04В 7/00, Н01Р 3/127, принятая за прототип.

На фиг.1 представлена схема аварийной системы внутрикорабельной радиосвязи-прототипа, где обозначено:

1 - межотсечные переборки;

4 - металлические полые цилиндры (резонаторы);

6 - корпус подводной лодки;

7 - переносные радиостанции;

8 - герметические крышки из диэлектрика.

На фиг.2 представлено сечение вдоль оси металлического полого цилиндра 4 с герметическими крышками из диэлектрика 8.

Система-прототип выполнена на основе волноводных пассивных ретрансляторов 4, в качестве которых используются круглые волноводы с герметическими крышками 8, закрепленными на концах полых цилиндров 4 - волноводов (фиг.2). Герметические крышки 8 выполнены из жаропрочного диэлектрика - сапфира.

Устройство работает следующим образом.

При работе аварийной радиостанции 7 в отсеке, образованном корпусом подводной лодки 6 и межотсечной перегородкой 1, возникает электромагнитное поле, имеющее частоту, близкую к резонансной для полых металлических цилиндров 4, возбуждает в них направленные вдоль цилиндра 4 радиоволны и переизлучает их в смежный отсек. Герметичная крышка 8 служит для герметизации отсека в случае затопления смежного отсека.

Таким образом, излучения распространяются из отсека в отсек, благодаря переизлучению на резонаторах, образованных цилиндрами 4 с герметичными крышками 8. Это излучение принимается приемниками остальных радиостанций 7, размещенных в других отсеках.

Недостатком устройства-прототипа является то, что исходя из условий обеспечения прочности, внутренний диаметр цилиндров 4 составляет не более 5 см, что позволяет организовать связь в частотном диапазоне 3-6 ГГц и не позволяет работать на более низких частотах, где затухание при распространении радиоволн заметно снижается.

На рабочих частотах » 5 ГГц связь по прямой волне можно организовать только с первым, вторым отсеками и не более. Отражение волны не приведет к заметному увеличению дальности связи, т.к. проводимость стали далеко не идеальна, а отсек содержит большое количество оборудования. Кроме того, находящийся в отсеке личный состав также способствует значительному затуханию отражаемых волн. Т.е. практически связь с третьим и последующими отсеками отсутствует. Другим недостатком является сложность герметизации отсека жаропрочным диэлектриком (сапфиром).

Задачей предлагаемого устройства является повышение дальности аварийной системы внутрикорабельной радиосвязи.

Для решения поставленной задачи в систему радиосвязи, содержащую в каждом отсеке корабля переносную радиостанцию, отверстия в межотсечных переборках и резонаторы, функционирующие как ретрансляторы и имеющие резонансную частоту, близкую к частоте излучения радиостанций, согласно изобретению введены гермовводы, или проходные изоляторы, или проходные конденсаторы, установленные герметично в отверстиях межотсечных переборок, а резонаторы выполнены в виде полосков, установленных по обе стороны гермовводов или проходных изоляторов, или проходных конденсаторов и имеющих электрический контакт с его выводами соответственно.

На фиг.3 представлен резонатор, установленный в отверстие межотсечной переборки по оси гермоввода (проходного изолятора или проходного конденсатора) предлагаемого устройства, где обозначено:

1 - межотсечная переборка;

2 - гермоввод (проходной изолятор, проходной конденсатор);

3 - выводы гермоввода (проходного изолятора, проходного конденсатора);

4 - резонатор (металлический полосок);

5 - опорные штанги.

На фиг.4 приведена схема размещения радиостанций и ретрансляторов в отсеках подводной лодки, где обозначено:

6 - корпус подводной лодки;

6.1, 6.2, 6.N - отсеки подводной лодки;

7 - радиостанции, расположенные в отсеках соответственно первого и N-го абонентов (Аб. 1, Аб. N).

Предлагаемая система внутрикорабельной радиосвязи содержит радиостанции 7, находящиеся в каждом отсеке и резонаторы 4, установленные по обе стороны каждой из межотсечной переборки 1, например посредством резьбы. Каждый из ретрансляторов образован двумя резонаторами 4, выполненными в виде полосков, которые закреплены посредством опорных штанг 5 по обе стороны каждой межотсечной переборки 1, при этом опорные штанги 5 имеют электрический и механический контакт с полосковыми резонаторами 4 в местах, имеющих потенциал, близкий к нулю относительно «земли» (переборки 1).

В отверстия межотсечных переборок 1 герметично установлены гермовводы (проходные изоляторы, проходные конденсаторы) 2, выводы 3 которых подсоединены к металлическим полоскам (резонаторам) 4 и имеют с ним электрический контакт.

Радиостанции 7 имеют рабочую частоту, близкую к резонансной частоте резонатора 4.

Устройство работает следующим образом.

Радиосигнал от радиостанции 7 (фиг.4) возбуждает резонатор 4, ЭДС с которого через гермоввод (проходной изолятор, проходной конденсатор) 2 передается на резонатор 4, расположенный по другую сторону переборки 1, который возбуждает электромагнитные волны в смежном отсеке, которые в свою очередь наводят ЭДС в резонаторе 4 следующей переборки этого отсека и т.д.

Эффективность предлагаемого устройства заключается в упрощении конструкции за счет снижения требований к жаропрочному диэлектрику по потерям и диэлектрической проницаемости, отверстие в переборке можно уменьшить с 50 мм до 5 мм и менее, что упрощает процесс герметизации отверстия. Возрастает количество отсеков, охваченных аварийной связью за счет понижения рабочей частоты радиостанций.

Гермовводы выпускаются промышленностью, например одиночные герметичные вводы корпорации "HERMETIC SEAL corporation", серии TS-0÷TS-9, US, URL::http://www.hccindastries.com/ffles/SingleFeedThmsHSC.pdf).

В качестве примера приведем расчет дальности связи по отсекам подводной лодки, имеющей отсеки длиной 10 м, высотой 2 м и шириной 3 м.

Для проведения расчетов дальности связи аварийной системы ВКС необходимо рассчитать относительный уровень излучаемого ретранслятором поля , где E_ПАД - напряженность поля падающей на ретранслятор волны. E_ИЗЛ - напряженность поля излученной ретранслятором волны.

Для удобства расчетов определим коэффициент усиления ретранслятора Gr(1), который позволит рассматривать ретранслятор как две независимые антенны с коэффициентом усиления, равным коэффициенту усиления ретранслятора Gr(2).

где R - расстояние до точки измерения напряженности поля излученной ретранслятором волны.

С помощью численного моделирования, методом конечных разностей во временной области, рассчитаем напряженность поля, излученного ретранслятором на основе круглого волновода с диаметром 50 мм, расположенным в бесконечной стенке из идеально проводящего материала, при падении на ретранслятор плоской падающей электромагнитной волны с амплитудой Е_пад=1 В/м. Относительный уровень поля на частоте 5 ГГц составляет - 48,3 дБ и соответственно по формуле (1) коэффициент усиления ретранслятора Gr равен 4,37 (6,4 дБ).

Проведем расчет дальности аварийной системы ВКС с волноводными ретрансляторами (прототип) на частоте 5000 МГц.

Для упрощения расчетов не будем учитывать отраженные от стенок лучи, что соответствует модели со стенками отсека из поглощающего материала. Такая упрощенная модель позволяет применить для оценки необходимой мощности передатчика канала аварийной ВКС формулы идеальной радиопередачи [2].

Оценим, на основе формулы идеальной радиопередачи, необходимую мощность передатчика канала (Р_прд) аварийной ВКС (3).

где Р_прм - чувствительность приемника радиостанции - 13 дБ (мВт);

G - коэффициент усиления антенны радиостанции, 1,64 (2дБи);

ra - длина отсека, 10 м, n - номер отсека;

Р_прд - необходимая мощность передатчика.

На частоте 5ГГц

Таким образом, по формуле (3б):

- для обеспечения связи со вторым отсеком

Р_прд≥-9 дБ (мВт), т.е.0,1 мВт;

- для обеспечения связи с третьим отсеком

Р_прд≥-44 дБ (мВт), т.е. 25 Вт.

Проведем расчет дальности аварийной системы ВКС с микрополосковыми резонаторами (предлагаемое устройство) на частоте 900 МГц.

С помощью численного моделирования, методом конечных разностей во временной области, рассчитаем напряженность поля излученного микрополосковым резонатором 4 с диаметром излучателя 155 мм, при падении на резонатор плоской падающей электромагнитной волны с амплитудой Е_пад=1 В/м. Относительный уровень поля на частоте 0,9 ГГц составляет - 28,5 дБ и соответственно по формуле (1) коэффициент усиления ретранслятора Gr равен 7,8 (8,9 дБ).

Для упрощения расчетов не будем учитывать отраженные от стенок лучи, что соответствует модели со стенками отсека из поглощающего материала. Такая упрощенная модель позволяет применить для оценки необходимой мощности передатчика канала аварийной ВКС формулы идеальной радиопередачи [2].

Оценим на основе формулы идеальной радиопередачи необходимую мощность передатчика канала Р_прд аварийной ВКС (3).

При G - (коэффициент усиления антенны радиостанции), равном 1,64 (2дБи) на частоте 0,9 ГГц

Таким образом, по формуле (3б):

- для обеспечения связи со вторым отсеком Р_прд≥-44 дБ (мВт);

- для обеспечения связи с третьим отсеком Р_прд≥-10,4 дБ (мВт),

т.е. 0,09 мВт.

- для обеспечения связи с четвертым отсеком Р_прд≥23,3 дБ (мВт),

т.е. 0,216 Вт.

- для обеспечения связи с пятым отсеком Р_прд≥57,1 дБ (мВт),

т.е. 513 Вт.

Таким образом, замена волноводных ретрансляторов с рабочей частотой 5000 МГц [2] на полосковые ретрансляторы с рабочей частотой 900 МГц позволяет втрое увеличить количество отсеков в зоне связи - вместо только второго отсека второй, третий и четвертый отсеки, т.е. повысить дальность радиосвязи. Кроме того, происходит упрощение конструкции за счет снижения требований к жаропрочному диэлектрику по потерям и диэлектрической проницаемости, отверстие в переборке можно уменьшить с 50 мм до 5 мм и менее, что упрощает процесс герметизации отверстия.

Источники информации

1. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. - М.: Высш. шк., 1988. - 432 с.: ил.

2. Катанович А.А и др. Система аварийной внутрикорабельной радиосвязи.

Использование: в области радиотехники. Технический результат - повышение дальности в аварийной системе внутрикорабельной радиосвязи. Устройство содержит в каждом отсеке переносную радиостанцию, отверстия в межотсечных переборках и резонаторы, а также гермовводы или проходные изоляторы, или проходные конденсаторы (2), установленные герметично в отверстиях межотсечных переборок (1), резонаторы (4) выполнены в виде полосков, установленных по обе стороны гермовводов или проходных изоляторов, или проходных конденсаторов (2) и имеющих электрический контакт с его выводами (3) соответственно, и функционирующие как ретрансляторы. 4 ил.

Аварийная система внутрикорабельной радиосвязи, содержащая в каждом отсеке корабля переносную радиостанцию, отверстия в межотсечных переборках и резонаторы, функционирующие как ретрансляторы, и имеющие резонансную частоту, близкую к частоте излучения радиостанций, отличающаяся тем, что введены гермовводы, или проходные изоляторы, или проходные конденсаторы, установленные герметично в отверстиях межотсечных переборок, а резонаторы выполнены в виде полосков, установленных по обе стороны гермовводов, или проходных изоляторов, или проходных конденсаторов и имеющих электрический контакт с его выводами соответственно.