Буксируемое плавучее кабельное антенное устройство Российский патент 2024 года по МПК H01Q1/34 H01Q5/00 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к антенной технике и может быть использовано в качестве приемо-передающей антенны СВ/КВ диапазонов на подводных объектах, в том числе действующих подо льдом.

Одной из приоритетных задач, решаемых в рамках развития РФ, является освоение северных морских территорий страны. Поэтому разработка систем устойчивой связи и управления подводными объектами, находящимися в северных морях, представляется важным и актуальным направлением.

В настоящее время для передачи информации в направлении берега подводные объекты, действующие в Арктике, вынуждены искать полынью для всплытия в надводное положение или взламывать лед. Любая из этих операций является небезопасной, ведет к потере времени, а при использовании автономных подводных аппаратов - еще и к потере энергетического ресурса. Единственными антеннами, которые могут быть использованы подводными объектами подо льдом на безопасной глубине хода (под рельефом нижней кромки льда, высота неровностей которого может превышать 10 м) являются буксируемые кабельные антенны без концевого тела. Наличие тела с приемо-передающими антенными элементами на ходовом конце плавучего кабеля неизбежно ведет к запутыванию и обрыву плавучего кабеля в выступах подледного рельефа морского льда при буксировке. Использование же плавучей кабельной антенны с гибким трехполюсным узлом вертикальных вибраторов на конце [1], предназначенной для приема/передачи вертикально поляризованного поля радиосигнала, возможно только в условиях чистой (без ледового покрова) воды.

В настоящее время известны следующие варианты построения кабельных антенн в виде плавучего кабеля:

- кабельные приемные антенны СНЧ диапазона [2]

- кабельные приемные СДВ/ДВ антенны [3];

- модульная СДВ/ДВ и КВ плавучая кабельная антенна и метод [4];

- сверхширокополосный плавучий кабельный антенный элемент [5].

Общим недостатками перечисленных антенн является односторонний характер работы - все эти антенны являются только приемными.

О возможности изготовления буксируемого антенного устройства для передачи на частотах от 2 до 10 МГц упоминается в [6]. Однако ни структура, ни принцип действия такого устройства в указанной работе не приведены.

В работе [7] описана перспективная кабельная антенна двухсторонней спутниковой связи, основу которой составляют щелевые антенные элементы, часть которых при приеме/передаче сигнала должна выступать над поверхностью воды. Однако использование этой антенны в Арктике в условиях полностью погруженного кабеля и большого затухания радиосигналов ДЦВ диапазона в толще морского льда невозможно.

Наиболее близким аналогом заявляемого антенного устройства является «Буксируемое плавучее кабельное антенное устройство с встроенным широкополосным усилителем» [8] СДВ/ДВ/КВ/УКВ диапазонов, которое содержит: концевую металлическую заделку, однопроводный плавучий кабель, один конец которого подключен к концевой металлической заделке, встроенный широкополосный усилитель, вход которого подключен ко второму концу однопроводного плавучего кабеля, и коаксиальный плавучий кабель, один конец которого подключен к выходу встроенного широкополосного усилителя.

К недостаткам прототипа относятся как невозможность использования в режиме передачи, так и отсутствие возможности работы в СВ диапазоне. Оба недостатка связаны с использованием в его составе встроенного широкополосного усилителя с цепями расфильтровки сигналов СДВ/ДВ и КВ/УКВ диапазонов. Между тем, диапазон СВ является наиболее информативным для подводных объектов, действующих в Арктике, где радиосвязь в КВ диапазоне крайне ненадежна из-за резких изменений электронной концентрации ионизированного слоя атмосферы, в УКВ диапазоне обладает недостаточной дальностью, а в спутниковых каналах невозможна из-за большого затухания сигнала в ледовом покрове любого возраста. Большое затухание сигналов ДЦВ диапазона является также препятствием для приема сигналов спутниковой навигации на объектах, действующих подо льдом. А среднеквадратичная погрешность определения места по сигналам длинноволновой навигации, составляющая сотни метров, неудовлетворительна для обеспечения безопасности плавания подводных объектов. В то же время точность решения навигационных задач по сигналам средневолновых навигационных систем соизмерима с точностью спутниковых систем.

Техническая проблема, решаемая заявляемым антенным устройством - обеспечение двухсторонней радиосвязи в СВ/КВ диапазонах и средневолновой радионавигации подводных объектов, действующих в Арктике, в том числе подо льдом без взламывания льда и с безопасной глубины хода.

Достигаемый технический результат - обеспечение двухсторонней радиосвязи в СВ/КВ диапазонах и высокоточной радионавигации в СВ диапазоне подводных объектов, в том числе действующих подо льдом, при использовании буксируемых плавучих кабельных антенн без концевого тела.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в обеспечении возможности формирования и использовании явления распространения боковой радиоволны для плавучей кабельной антенны, буксируемой горизонтально в приповерхностном слое проводящей среды на границе с электрически менее плотной средой (воздухом, льдом), а также в обеспечении возможности работы ее в СВ диапазоне.

Для этого в предлагаемом изобретении - приемо-передающем буксируемом плавучем кабельном антенном устройстве (далее - буксируемое плавучее кабельное антенное устройство) СВ/КВ диапазонов, содержащем однопроводный плавучий кабель, коаксиальный плавучий кабель и концевую металлическую заделку, дополнительно вводятся:

- волновое сопротивление, включенное между концевой металлической заделкой и одним из концов провода однопроводного плавучего кабеля;

- промежуточная металлическая заделка, подключенная к экрану коаксиала на одном из концов коаксиального плавучего кабеля; при этом второй конец провода однопроводного плавучего кабеля подключен к центральному проводнику коаксиала на том же конце коаксиального плавучего кабеля, что и вторая металлическая заделка.

В состав предлагаемого устройства входят:

- концевая металлическая заделка;

- волновое сопротивление;

- однопроводный плавучий кабель;

- промежуточная металлическая заделка;

- коаксиальный плавучий кабель.

Волновое сопротивление представляет собой сопротивление, значение которого равно волновому сопротивлению однопроводного плавучего кабеля.

Состав и работа заявляемого буксируемого плавучего кабельного антенного устройства поясняются рисунками, представленными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 показана структурная схема приемо-передающего буксируемого плавучего кабельного антенного устройства СВ/КВ диапазонов и подключения его к аппаратуре буксирующего объекта.

На фиг. 2 показана схема буксировки антенного устройства, процесс распространения радиосигнала в режиме передачи и диаграмма направленности антенны.

Принятые обозначения на фиг.1 и 2:

1 - концевая металлическая заделка;

2 - волновое сопротивление;

3 - однопроводный плавучий кабель;

4 - промежуточная металлическая заделка;

5 - коаксиальный плавучий кабель;

6 - двухэлектродная антенна;

7 - соединитель;

8 - переключатель прием/передача;

9 - радиоприемное устройство связи;

10 - радиоприемное устройство навигации;

11 - радиопередающее устройство.

Однопроводный плавучий кабель 3 с волновым сопротивлением 2, концевой 1 и промежуточной 4 металлическими заделками, контактирующими с морской водой, образуют двухэлектродную антенну бегущей волны 6 (далее - двухэлектродная антенна), а коаксиальный плавучий кабель 5 - высокочастотный фидер.

Коаксиальный плавучий кабель 5 подключается к аппаратуре буксирующего подводного объекта: к соединителю 7 и далее, через переключатель прием/передача 8, на радиоприемные устройства связи 9 и навигации 10 или радиопередающее устройство 11, соответственно.

Максимальная эффективность буксируемого плавучего кабельного антенного устройства в обоих режимах работы достигается при расположении антенны при буксировке вдоль границы раздела, так как радиоволны СВ/КВ диапазонов быстро затухают в морской воде. Такое положение антенны обеспечивается плавучестью однопроводного и коаксиального кабелей и выбором скорости буксировки. При этом безопасная глубина хода буксирующего подводного объекта достигается за счет длины коаксиального плавучего кабеля.

Функционирование предлагаемого буксируемого плавучего кабельного антенного устройства осуществляется следующим образом.

В режиме приема горизонтальная составляющая поля радиосигнала СВ/КВ диапазонов, падающего на границу раздела «воздух-вода» («лед-вода»), наводит в двухэлектродной антенне 6 электродвижущую силу сигнала, который по коаксиальному плавучему кабелю 5 через соединитель 7 и переключатель прием/передача 8 поступает на радиоприемные устройства связи 9 и навигации 10.

В режиме передачи радиосигнал, поступающий от радиопередающего устройства 11 через переключатель прием/передача 8 и соединитель 7, передается по коаксиальному плавучему кабелю 5 в двухэлектродную антенну 6. В результате преломления волн, излученных элементами однопроводного плавучего кабеля двухэлектродной антенны и приходящих к границе раздела с электрически менее плотными средами (льдом, воздухом) под углами не менее критического, в воздухе образуются боковые волны, распространяющиеся вдоль границы раздела [9-12]. Для морской воды, льда и воздуха в СВ/КВ диапазонах критический угол соответствует направлению распространения волны от антенны почти вертикально вверх. При этом, благодаря формированию с помощью волнового сопротивления режима бегущей волны в антенне и одинаковой скорости распространения ее в антенне и воздухе, волны, излучаемые всеми элементами антенны, складываются при распространении вдоль поверхности раздела в направлении концевой металлической заделки в фазе, и сигнал за счет суперпозиции волн усиливается (диаграмма направленности антенны в воздухе ориентирована параллельно антенному проводу в направлении его конца).

Результаты расчетов подтвердили возможность обеспечения двухсторонней радиосвязи (прием и передача) в СВ/КВ диапазонах на глубине 60 м при длине фидера 500 м и скорости буксировки 2 узла, точность определения координат места при работе в составе современных радионавигационных систем составит единицы метров [13].

Таким образом, заявленный технический результат достигнут.

Источники информации:

1. Патент US 3599213.

2. М.L. Burrows. ELF Communications Antennas. Lincoln Laboratory Massachusetts Institute of Technology, Lexington, Massachusetts, USA, 1979.

3. The Art of the Possible Communications at Speed and Depth. Underseawarfare/ The Official Magazine of the U.S. Submarine force, Spring 2006, v. 8, n. 3.

4. Патент US 2011/0279336 A1.

5. Патент US 7868833B2.

6. Sea-Air Systems Division Communication Systems Group (Buoyant Wire Antenna System, www.sippican.com).

7. Blair Carlson. Adaptive Beamforming for Submarine-Satellite Communications with the (MBCA) Multielement Buoyant Cable Array Antenna. MIT Lincoln Laboratory, ASAP March 2001.

8. Патент US 4774519.

9. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны // М.: Советское радио, 1971.

10. Burrows M.L. On the design of a towered ELF H-field antenna/ M.I.T. Lincoln Laboratory, Lexington, Mass., Tech. Note 1972-34 (DDC AD 754949).

11. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах // М.: Мир, т. 1, 1984.

12. А. Л. Драбкин, В. Л. Зузенко, А.Г. Кислов. Антенно-фидерные устройства // М.: Советское радио, 1974.

13. Ю.И. Никитенко, В.И. Быков, Ю.М. Устинов. Судовые радионавигационные системы // М.: Транспорт, 1992.

Изобретение относится к антенной технике на подводных объектах, в том числе действующих подо льдом. Техническим результатом является обеспечение двухсторонней радиосвязи в СВ/КВ диапазонах и высокоточной радионавигации в СВ диапазоне подводных объектов, в том числе действующих подо льдом, при использовании буксируемых плавучих кабельных антенн без концевого тела. Упомянутый технический результат достигается путем формирования и использования явления распространения боковой радиоволны для плавучей кабельной антенны, буксируемой горизонтально в приповерхностном слое проводящей среды на границе с электрически менее плотной средой (воздухом, льдом). 2 ил.

Буксируемое плавучее кабельное антенное устройство СВ/КВ диапазонов, содержащее однопроводный плавучий кабель, коаксиальный плавучий кабель и концевую металлическую заделку, отличающееся тем, что в него введены сопротивление, значение которого равно волновому сопротивлению однопроводного плавучего кабеля, включенное между концевой металлической заделкой и одним из концов провода однопроводного плавучего кабеля, и промежуточная металлическая заделка, подключенная к экрану коаксиала на одном из концов коаксиального плавучего кабеля, при этом второй конец провода однопроводного плавучего кабеля подключен к центральному проводнику коаксиала на том же конце коаксиального плавучего кабеля, что и промежуточная металлическая заделка, при этом коаксиальный кабель выполнен с возможностью подсоединения посредством соединителя к переключателю прием-передача, соединенного, в свою очередь, с радиоприемными устройствами связи и навигации и радиопередающим устройством буксирующего объекта, однопроводный плавучий кабель выполнен с возможностью излучения волн, приходящих к границе раздела сред под углами не менее критического, соответствующего направлению распространения волны от антенного устройства почти вертикально вверх, причем при буксировке антенное устройство располагают горизонтально в приповерхностном слое проводящей среды на границе с электрически менее плотной средой.