Способ приема радиосигналов крайненизкочастотного диапазона

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в радиопередающих устройствах КНЧ диапазона. Технический результат - повышение энергии сигнала КНЧ диапазона без увеличения мощности радиопередатчика за счет того, что величина вертикального элемента антенны рассчитывается из условия обеспечения максимума вектора Пойнтинга, а горизонтальный элемент антенны при этом направлен на корреспондента, при этом антенна предназначена для зоны, в которой величина kr≤1, где k=2π/λ, r - расстояние до излучателя, а угол наклона θ=0…. π/2, в котором вектор имеет максимальное значение. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к радиопередающим антеннам диапазона частот ≤ 30 Гц.

В настоящее время этот диапазон частот используется в геодезии, а также для связи с корреспондентами, находящимися под землей или под водой. Задача увеличения сигнала в КНЧ диапазоне является актуальной и в то же время связана с серьезными материально-техническими проблемами.

Увеличение уровня сигнала в этом диапазоне достигается увеличением мощности передатчика, улучшением согласования выходного сопротивления передатчика с входным сопротивлением антенны, увеличением геометрических размеров антенны (Пистолькорс А.А. Антенны. Связьиздат, 1947; С. Щелкунов и Г. Фриис. Антенны. М., Сов. радио, 1955).

К недостаткам этих способов повышения энергии сигнала следует отнести существенное увеличение габаритов антенны и материальных затрат на реализацию этой цели.

Известен способ увеличения энергии сигнала за счет использования заземления (Фредин А.З. Антенны СДВ и ДВ. Л.: ЛЭИС, 1989).

Этот способ при реализации также требует больших материальных затрат.

Прототипом заявляемого способа является способ увеличения сигнала в КНЧ диапазоне за счет использования емкостных нагрузок в верхней части вертикально стоящих антенн (Корчагин Ю.А. Антенны крайне низких - очень низких частот. Воронеж: РЭФФ, 1995).

Недостатком прототипа является то, что при работе в зоне, где величина kr≤1 (k=2π/λ, r - расстояние до излучателя), вектор Пойнтинга, при изменении угла отклонения от вертикальной оси, изменяется как по абсолютной величине, так и по направлению, при этом при максимальном значении абсолютной величины он направлен в сторону, не совпадающую с направлением на горизонт (90° относительно вертикальной оси), как это имеет место в дальней зоне, где kr >> 1, что снижает энергию сигнала вблизи горизонта, ухудшая условия приема сигнала.

Целью изобретения является повышение энергии сигнала в КНЧ диапазоне без увеличения мощности передатчика.

Поставленная цель достигается тем, что величина вертикального элемента антенны рассчитывается из условия обеспечения максимума вектора Пойнтинга, а горизонтальный элемент антенны при этом направлен на корреспондента, при этом антенна предназначена для зоны, в которой величина kr≤1, где k=2π/λ, r - расстояние до излучателя, а интервал угла наклона θ=θ…π/2, в котором вектор имеет максимальное значение.

Известны (Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1971) выражения для максимальных значений векторов напряженности электрического поля Ėmr и Ė и магнитного H ˙ m φ , определенных в сферической системе координат для элементарного электрического вибратора, возбуждаемого гармоническим колебанием:

где Ėmr - проекция векторного потенциала монохроматического поля на орт r0;

Im - амплитуда тока в элементарном вибраторе;

ω - круговая частота тока в вибраторе;

ε0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость;

l - длина вибратора;

где Ė - проекция векторного потенциала монохроматического поля на орт θ0;

где H ˙ φ - проекция векторного потенциала монохроматического поля на орт φ0, лежащего в плоскости, перпендикулярной к оси Z (см. Фиг.1).

Приведем комплексные выражения (1), (2) и (3) к показательной форме

где

где

где αh=arctg(kr);

d=k2r2+1.

Известно также (Фредин А.З. Антенны СДВ и ДВ. Л.: ЛЭИС, 1989), что в сверхдлинноволновом диапазоне, когда длина излучателя очень мала по сравнению с длиной волны генерируемого колебания, можно излучатель рассматривать как диполь Герца.

Найдем суммарный вектор напряженности электрического поля Ėm, сложив векторы Ėmr и Ė с учетом их взаимной перпендикулярности (см. Фиг.1):

где a=(k2r2+l)cos2θ,

b=0,25(k4r4-k2r2+1)sin2θ,

Вектор Пойнтинга определяется выражением

Подставляя в формулу (8) выражения (6) и (7) и выразив ω через ,

получаем следующее расчетное соотношение для вектора Пойнтинга:

где c - скорость света.

Анализ зависимости величины вектора Пойнтинга от угла θ показал, что при значениях kr≤1 вектор имеет максимальное значение в интервале θ=0…π/2, а значение угла θm, соответствующее этому максимуму, определяется заданной величиной kr.

В качестве примера на Фиг.2 приведен график изменения величины вектора Пойнтинга в зависимости от изменения угла θ для значений kr=0,7, что соответствует f=30 Гц, λ=104 кМ, r=1,11·103 кМ или f=3 Гц, λ=105 кМ, r=1,11·104 кМ. Величина П на графике нормирована к первому дробному сомножителю в формуле (10), не зависящему от θ и kr.

Формула нормированного значения вектора Пойнтинга приведена ниже

В данном случае превышение максимального значения вектора Пойнтинга при θm=1,1 (63°) над величиной вектора Пойнтинга при составляет 1,2. Максимальное превышение составляет 1,4 при kr=1 и .

С учетом того что вектор Пойнтинга перпендикулярен к плоскости, в которой лежат векторы Ėm и H ˙ φ , и с учетом того, что его направление определяется правилом правого буравчика (Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1977) угол ψ между осью Z и вектором Пойнтинга рассчитывается по формуле:

где

Подставляя в формулу (12) значения θm и γ, соответствующие максимальной величине П, получим значения угла ψ.

Таким образом, в отличие от дальней зоны, в которой максимальные значения вектора Пойнтинга не зависят от величины kr и всегда соответствуют углу наклона относительно оси Z, равному 90°, в ближней зоне угол наклона вектора Пойнтинга к горизонту меняется при изменении величины kr. Из этого следует, что для того чтобы максимальный вектор Пойнтинга был направлен к горизонту, необходимо излучатель наклонить в направлении на корреспондента на угол равный .

При kr<1 пределы изменений угла β=-1°…57°.

Решить проблему наклона излучателя можно путем использования горизонтального и вертикального проводников в качестве излучающих элементов антенны, подключенных к выходу передатчика, и при этом горизонтальный проводник должен быть направлен в сторону на корреспондента. Вертикальный и горизонтальный проводники представляют собой два вектора тока, суммарный вектор тока которого определяет пространственную ориентацию вектора напряженности электрического поля генерируемого колебания, что эквивалентно наклону антенны.

Поскольку направление максимального вектора Пойнтинга при использовании вертикального излучателя близко к вертикальному, то целесообразно излучатель делать горизонтальным. В этом случае максимальные значения вектора Пойнтинга будут близки к горизонту. При использовании одновременно с горизонтальным и вертикального излучателя можно обеспечить точное направление вектора на горизонт. Длина вертикального излучателя определяется следующим соотношением:

где l - длина фиксированного горизонтального излучателя антенны.

Зная пределы изменений угла β, легко определить пределы изменений величины h, которые составят 0…0,65·l.

Углом β=-1° можно пренебречь, заменив на 0°, из-за малой его значимости для практики.

Алгоритм реализации предлагаемого способа повышения энергии сигнала КНЧ диапазона представлен ниже.

1. По известным величинам длины волны генерируемых колебаний λ и расстояния до корреспондента r рассчитывается величина kr.

2. Строится график функции ПH(θ) с использованием формулы (11), с учетом рассчитанной величины kr (аналогичный представленному на Фиг.2), и определяется θm величина угла θ, соответствующая максимальному значению вектора Пойнтинга.

3. По формуле (13), с учетом определенных величин kr и θm, рассчитывается угол γ, зависящий от соотношения абсолютных значений векторов Er и Eθ.

4. По формуле (12), с учетом определенных величин θm и γ, рассчитывается угол ψ, показывающий направление вектора Пойнтинга.

5. По формуле (14), с учетом определенной величины угла ψ и фиксированного значения длины горизонтального излучателя l, рассчитывается высота вертикального излучателя h, обеспечивающая требуемый наклон эквивалентного излучателя для приведения максимума вектора Пойнтинга в горизонтальную плоскость.

Длина горизонтального излучателя в КНЧ диапазоне всегда существенно меньше длины волны генерируемого колебания и определяется технико-экономическими факторами.

Таким образом, реализация предложенного выше способа позволяет на 20…40% увеличить энергию сигнала в КНЧ диапазоне в направлении на корреспондента, что способствует улучшению характеристик каналов связи на этих частотах.

Способ приема радиосигналов крайненизкочастотного диапазона, состоящий в том, что величина вертикального элемента антенны рассчитывается из условия обеспечения максимума вектора Пойнтинга, а горизонтальный элемент антенны направлен на корреспондента, при этом антенна предназначена для зоны, в которой величина kr≤1, где k=2π/λ, r - расстояние до излучателя, а интервал угла наклона θ=0…π/2, в котором вектор имеет максимальное значение.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к антенной технике, а именно к малогабаритным перестраиваемым антеннам. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано как малогабаритная антенна. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для работы в качестве приемной и/или передающей антенны в составе диапазонных радиостанций. .

Изобретение относится к антенной технике, а более конкретно к антенной системе летательного аппарата. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в малогабаритных вибраторных антеннах для ведения радиосвязи и навигации как отдельная антенна, предназначенная для установки на борту летательного аппарата.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в малогабаритных вибраторных антеннах. .

Изобретение относится к области антенной техники и предназначено для использования в радиотехнических антеннах различного назначения. .

Изобретение относится к антеннам и используется в мобильных системах связи. .

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и может быть использовано в качестве приемопередающей антенны широкодиапазонной УКВ-радиостанции, устанавливаемой на транспортном средстве.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для построения малогабаритных приемопередающих антенн в комплексах подвижной связи, работающих в интересах пеших, мобильных и стационарных абонентов. Технический результат - повышение эффективности излучения антенны. Вибраторная антенна содержит вибратор, согласующее устройство, емкостную нагрузку и противовес, а согласующее устройство выполнено в виде двух отдельных элементов - удлиняющей катушки и трансформатора, каждый из которых выполнен на своем отдельном замкнутом сердечнике магнитопровода. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат - организация схемы параллельного питания; достижение требуемого усиления при неограниченном числе элементов; и создание простой конструкции. Для этого предложена компактная вертикальная антенная решетка с построением вибраторов на основе коаксиальных резонаторов, при отсутствии ограничений на число элементов и усиление. Она реализуется в виде вертикального стержня с возможностью размещения его в диэлектрическом укрытии, выполненном в форме трубы. Развязка между излучателями реализована посредством использования четвертьволновых коаксиальных резонаторов, которые конструктивно разделяют излучатели, где длины таких резонаторов реализуются укороченными на величину, определяемую из условия компенсации паразитных емкостей, возникающих между торцевыми поверхностями смежных вибраторов. Этим достигается независимое параллельное питание излучателей при их близком расположении и компактных размерах антенной решетки. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве малогабаритных приемопередающих антенн в мобильных длинноволновых (ДВ), средневолновых (СВ) и коротковолновых (KB) радиостанциях. Вибраторная антенна содержит индуктивность, вибратор, электрически соединенный с одним концом этой индуктивности и представляющий собой объемный проводник, расположенный в магнитном поле индуктивности. Индуктивность выполнена на незамкнутом сердечнике магнитопровода, второй конец индуктивности соединен с одним из проводов питающей антенну двухпроводной электрической линии, другой провод которой одним концом заземлен на радиостанции, а второй конец этого провода находится в свободном состоянии. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства, а именно: обеспечение использования одной и той же вибраторной антенны при смене рабочих частот, упрощение согласования вибраторной антенны с радиостанцией во время ведения сеансов связи. Кроме того, достигается снижение зависимости параметров антенны от окружающей среды, упрощение ее настройки при серийном производстве. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх