Экспериментальное определение дальности мобильной связи при использовании малогабаритных резонансных антенн средневолнового диапазона

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДАЛЬНОСТИ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ МАЛОГАБАРИТНЫХ РЕЗОНАНСНЫХ АНТЕНН СРЕДНЕВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА

Д. В. Федосов, Д. А. Корнеев, В. Л. Хазан, В. Н. Хорват

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет» (ОмГТУ)

Аннотация. В статье предлагается новая конструкция малогабаритных антенн для низкочастотных диапазонов радиоволн (ДВ, СВ, КВ). Описано проведение эксперимента с использованием лабораторных образцов антенн с целью определения максимальной дальности связи и соответственного выигрыша относительно штырьевых антенн. Предложены направления практического применения разработанных антенных устройств.

Ключевые слова: средние волны, земная волна, малогабаритная антенна, подвижная связь.

Abstract. The new design of compact antenna for the low radio frequency band (LF, MF, HF bands) is proposed. The experiment purposed to investigate the maximum range of mobile communication using a new antenna and conventional short rod antenna is described.

Keywords: medium wave, ground wave, compact antenna, mobile communication.

антенна радиоволна низкочастотный

Передача данных с подвижных объектов в средневолновом диапазоне - непростая задача. Данному диапазону присущ ряд недостатков - малый частотный ресурс, крупные габаритные размеры антенных устройств, интерференция земной и пространственных волн в области полутени и тени. Однако есть и существенные плюсы: параметры канала связи изменяются незначительно во времени, кроме того, большая длина волны позволяет связываться на расстояниях значительно превышающих зону прямой видимости за счет явлений дифракции и рефракции.

Именно эти достоинства дают возможность обеспечить связь в средневолновом диапазоне на расстояниях нескольких десятков километров с использованием маломощных передатчиков. К примеру, дальность связи при использовании радиостанций «Карат-2» [6], мощность передатчика которой по техническим характеристикам составляет не менее 1 Вт, в комплекте со штатной антенной типа «Наклонный луч» составляет порядка 25-40 км. Однако антенна «Наклонный луч» в силу своих крупных геометрических размеров, позволяет осуществлять связь только стационарно.

Основной задачей при организации мобильной загоризонтной радиосвязи с использованием средних волн является разработка малогабаритных передающих антенн, которые возможно размещать на любых транспортных средствах и использовать в носимых радиостанциях.

Условно, подходы, используемые для укорочения антенных устройств, можно разделить на три группы.

1. Малогабаритные антенные устройства с использованием ферритов [2, 5]. Ферритовые антенные устройства стали использоваться в приемниках ДВ/СВ/КВ радиовещательных станций в первой половине ХХ в. Данные антенны получили широкое распространение за счет малых габаритных размеров относительно длины радиоволны. Практически, антенны с использованием ферритов являются самыми малыми антеннами низкочастотных диапазонов радиоволн. Вместе с тем, данные антенны имеют серьезное ограничение: они не могут быть использованы в радиостанциях для передачи сигналов из-за нелинейности ферритов в сильных электромагнитных полях.

2. Малогабаритные рамочные антенны [1]. Магнитная рамочная антенна имеет вид петли из проводника, которая подключена к конденсатору переменной емкости. Периметр петли обычно находится в пределах от 0,03л до 0,25л. Магнитные рамочные антенны являются малогабаритными антеннами, однако при длине волны 160 м и более, габариты рамочной антенны все равно достаточно велики для использования в носимых радиостанциях.

3. Укороченные вертикальные антенны. [1, 3]. Если удается простым образом подобрать конструкцию антенны так, что для нее условие комплексного сопряжения импеданса в точках подключения выполняется с достаточной на практике точностью, то нет необходимости введения дополнительных согласующих элементов. Однако в тех случаях, когда этого не удается сделать, эффективным оказывается способ согласования путем введения дополнительных согласующих реактивных элементов в проектируемую антенну так, чтобы трансформировать ее импеданс к нужной величине.

Именно по третьему принципу разработана вторая штатная антенна радиостанции «Карат-2» - укороченный вертикальный штырь длиной 1,8 м, которая используется в носимом варианте и обеспечивает связь на расстоянии до 8-10 км [7]. В саму радиостанцию встроен подстроечный элемент - вариометр, изменяя переменную индуктивность которого можно добиться хорошего согласования усилителя мощности передатчика с антенной. Однако ограниченное расстояние связи сводит все преимущества средневолновой радиостанции с малогабаритной штыревой антенной к минимуму - фактически, подобных результатов можно добиться, используя УКВ радиостанцию.

Для увеличения дальности связи в средневолновом диапазоне, а также с целью увеличения эксплуатационных свойств аппаратуры связи, научными сотрудниками РТФ ОмГТУ была разработана малогабаритная резонансная антенна «точечный ферромагнитный излучатель» [4]. Получены лабораторные образцы антенн на ряд частотных диапазонов: 500, 1000, 1600, 1800 кГц.

Рис. 1. Электрическая схема малогабаритной резонансной антенны.

Электрическая схема антенны представлена на рис. 1. Антенна состоит из электрической емкости и трансформатора. Электрическая емкость 1 любой формы, например, на рис.1 цилиндр, который может быть выполнен из любого электрически проводящего материала. Трансформатор выполнен на незамкнутом магнитопроводе 2 и содержит катушки индуктивности в виде первичной 4 и вторичной 3 обмоток этого трансформатора. Емкость 1 электрически присоединена к вторичной обмотке 3. Питание антенны осуществляется через первичную обмотку трансформатора 4 стандартным образом от коаксиального кабеля или непосредственно от антенного разъема радиопередающего устройства через любое соединительное устройство 7. Емкость 6 необходима для настройки антенны на резонансную частоту.

Для радиостанции «Карат-2» была разработана антенна, внешний вид которой представлен на рис. 2. Длина антенны составляет 450 мм, диаметр - 30 мм. Параметры антенны (КСВ и импеданс), измеренные антенным анализатором Rig Expert AA230 Pro, показаны на рис. 3 и 4.

Рис. 2. Внешний вид малогабаритной антенны.

Рис. 3. Зависимость КСВ малогабаритной антенны от частоты.

Рис.4. Зависимость активного, реактивного и полного сопротивления малогабаритной антенны от частоты.

Для определения эффективности излучения малогабаритной антенны проводились натурные испытания совместно со специалистами ФГУП «Омский НИИ приборостроения». Оценивались следующие показатели:

? уровень сигнала, создаваемый малогабаритной антенной и антенной «Штырь 1,8 м» на фиксированном расстоянии 600 м от приемника;

? разборчивость речи и тонального сигнала при радиосвязи между радиостанциями «Карат-2» на удалении 10 км, 13,6 км, 25 км.

Для оценки уровня сигнала использовался микровольтметр STV 301-2 с подключенной малогабаритной антенной. Испытуемые образцы антенн размещались на высоте 2,6 м над уровнем земли. Питание радиостанции осуществлялось как через встроенный в радиостанцию «Карат-2» аккумулятор, так и через бортовую сеть автомобиля. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1. Уровень сигнала испытуемых антенн.

Уровень аддитивного шума микровольтметра STV 301-2 в полосе речевого сигнала при отсутствии полезного сигнала на частоте 1640 кГц составлял 2,2 мкВ.

Для оценки дальности связи проводились испытания на разборчивость речи по пятибалльной шкале (таблица 2) между подвижной и стационарной группой посредством двух приемопередающих радиостанций «Карат-2» и двух малогабаритных антенн на частоте 1640 кГц.

Таблица 2. Оценки качества речи по пятибалльной шкале.

Для сравнительного анализа, периодически одна из малогабаритных антенн заменялась на «Штырь 1,8 м», идущий в комплекте с радиостанцией. Перед каждым сеансом связи и при каждой замене антенны оператор добивался максимального согласования антенны с передатчиком при помощи встроенных в радиостанцию вариометра и индикатора КСВ. Радиостанции находились в руках операторов. Результаты испытаний приведены в таблице 3.

Таблица 3. Дальность связи и оценка качества речи.

Из данных, представленных в таблицах 1 и 3, следует, что малогабаритная антенна намного (порядка 18 дБ) эффективней антенны «Штырь 1,8 м», кроме того, новая антенна обладает меньшими (в 4 раза по длине) габаритными размерами, что увеличивает ее эксплуатационные свойства.

Применение данных антенн целесообразно в системах подвижной связи любительского и профессионального назначения. Примерами областей применения малогабаритной антенны могут служить: водный и сухопутный транспорт, голосовая связь в пограничных войсках, передача экстренных сигналов, передача телеметрической информации ограниченного объема на дальние расстояния, передача информации позиционирования, радиосвязь в районах с малой плотностью населения.

Стоит отметить, что в связи с малыми габаритными размерами антенн, радиосвязь может осуществляться с подвижных объектов и пешими операторами в движении, при этом дальность связи может варьироваться в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен километров в зависимости от технических характеристик системы связи (мощность радиостанции, высота подъема антенн, скорость передачи данных и др.).

Статья подготовлена в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы.

Литература

1. Ротхаммель К. Антенны: Пер. с нем. - 3-е изд., доп. / К. Ротхаммель. - М.: Энергия, 1979. - 320 с., ил.

2. Хомич В.И. Ферритовые антенны / В.И. Хомич. - М.: Энергия, 1969. - 96 с.

3. Пат. 2226021 РФ, МПК H01Q9/34. Антенна штыревая диапазонная мобильная / Федеральное государственное унитарное предприятие Омский научно-исследовательский институт приборостроения. - Опубл. 20.03.2004.

4. Пат. 2413344 РФ, МПК H01Q9/18. Вибраторная антенна / Научно-производственное общество с ограниченной ответственностью "КВ-СВЯЗЬ", Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Омский государственный технический университет. - Опубл. 27.02.2011.

5. Пат. 6,529,169 US, МПК H01Q7/08. Twin coil antenna / C. Crane Company, Inc. - Опубл. 06.07.2001.

6. Официальный сайт ФГУП «ОПЗ им. Козицкого». Технические характеристики радиостанции «Карат-2» // [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://ziko.omsk.net.ru/info00003.shtml

7.  Сайт радиолюбителей «Специальные радиосистемы». Раздел форума «Радиостанция «Карат-2Н» // [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. -http://www.radioscanner.ru/forum/topic19266.html

Размещено на Allbest.ru