Вернуться на главную
Николай Стрижаченко. Версия 2.0 от 10.04.11 Nikolai Strizhachenko. V2.0 of 10.04.11 (heavy translation)

Основы беспроводной подводной ВЧ-связи
Fundamentals of underwater wireless RF communication

Оглавление Table Of Contents
1. Введение 1. Introduction
2. Структура волн подводной связи. Искажения поля от электромагнитных волн 2. Structure of waves underwater. Distortion field of electromagnetic waves
3. Антенны для "Одкомпонентного поля Е-типа" (1кпЕт)
..3.1. Передающие антенны
....3.1.1. Антенны в диэлектриках
....3.1.2. Антенны в проводящих жидких средах
....3.1.3. Антенны для жестких проводников
....3.1.4. Антенны на границе сред
..3.2. Приемные антенны
....3.2.1. Стандартные антенны. Сотовые антенны
....3.2.2. Антенны для жестких проводников
....3.2.3. Приемопередающие антенны
..3.3. Прием 1кпЕт на радиоантенны
..3.4. Прием и передача на границе двух сред
3. Antenna for "One components field E-type" (1cfEt)
..3.1 Transmitting antennas
....3.1.1. Antenna in dielectrics
....3.1.2. Antenna conductive liquid environment
....3.1.3. Antennas for hard wire
....3.1.4. Antenna on border environments
..3.2. Receiver antennas
....3.2.1. Standard antennas. Cellular antennas
....3.2.2. Antennas for hard wire
....3.2.3. Transceiver antenna
..3.3. Receiver 1cfEt to radio antennas
..3.4. Reception and transmission on the border between two environments
4. Отражение волн. Локация 4. Reflected waves. Location
5. Методика определения параметров антенн 5. Method of measurement of antennas
6. Перспективы
..6.1. Беспроводная подводная связь. Подводная навигация
..6.2. Воздушная связь
..6.3. Подземная связь
..6.4. Проводная связь
6. Future prospects
..6.1. Wireless underwater communication. Underwater navigation
..6.2. Air connection
..6.3. Underground communication
..6.4. Wired communication

1. Введение
1. Introduction

С конца 19 века известно, что радиоволны практически не распространяются в воде. Исключение составили радиоволны сверх длинноволнового диапазона (СДВ), которые возможно принимать на глубинах до 30 метров. При модуляции и демодуляции такой низкочастотной несущей возникают существенные фазовые искажения требующие принятия специальных мер. Поэтому практически можно говорить только о режиме телеграфии в направлении "берег - подводная лодка (ПЛ)". Подводной лодке передается сигнал о необходимости всплыть в положение, обеспечивающее организацию сеанса связи через спутник.

Гидроакустика существенно улучшает возможности подводной связи, навигации и локации. Ограничения акустической связи:
- дальность до 20 км. Практическая дальность - 2...5 км;
- частота несущей менее 1 МГц, что не позволяет передавать высокоскоростные потоки информации;
- создаются помехи морской фауне.

Позднее с 1962 года (дата выдачи одного из патентов) были предприняты многочисленные попытки осуществления связи под водой с помощью электродов погруженных в воду. Этот способ связи использует электрические токи. Он оказался малоэффективным.
Причины неудач:
- электрический ток в проводящих средах быстро затухает;
- при возбуждении тока в воде обычным способом фактически формируется стандартное двухкомпонентное EH-поле, то есть радиоволна, которая быстро затухает в морской воде;
- при приеме таких токов также образуется вибратор (обычно симметричный), который не может работать в проводящих средах.

Все эти попытки не привели к значимым результатам. Об этом можно косвенно судить по практическому отсутствию беспроводной подводной ВЧ электросвязи. Отсутствие результатов привело к отсутствию публикаций на эту тему. Именно поэтому автор этой статьи осуществлял различные эксперименты независимо от имевшихся у других изобретателей наработок.

В результате проведенных работ были получены следующие результаты:
- получена требуемая дальность связи в пресной воде. При этом дальность связи определялась исключительно выходной мощностью передатчика - для дальнейшего увеличения дальности связи просто требовались более мощные радиопередатчики;
- определены особенности распространения волн подводной связи в соленой воде и выявлены причины малой дальности связи в ранее полученных изобретателями патентах;
- определены требования к приемо-передающим устройствам и антеннам подводной связи;
- создана рабочая теория волн подводной ВЧ-электросвязи, которая довольно хорошо стыкуется с практикой и позволяет проектировать требуемую беспроводную аппаратуру подводной связи.
Since the late 19th century known as radio waves are practically does not apply in the water. The exception was radio waves over long-wave range, which may take up to 30 metres in depth. With modulation and demodulation of such a low frequency carrier had a subsstantial phase distortions, recuiring special measures. Practically realized only mode of telegraphy in the direction of "coast-submarine". Submarine signal to emerge in a provision that the communication via satellite.

Hydroacoustics significantly improves underwater communication, navigation and location.
Limitation of acoustic communication:
-range up to 20 km. Operational range – 2 ... 5 km;
-less than 1 Mhz carrier frequency, that can not transmit high-speed stream of information;
-obstructed marine fauna.

Later in 1962 (date of issuance of a patent) have made numerous attempts to communicate under water using electrode submerged in water. This connection method uses electrical currents. It turned out to be ineffective.
Causes of failure:
-electric current in a conductive environments quickly to fades out;
-the current in the water in the usual way, in fact, a standard two-part EH-field, i.e., radio wave, which quickly fades out in seawater;
-when receiving such currents also formed vibrator (normally symmetric), which cannot operate in conductive media.

All these attempts did not lead to meaningful results. This can be assessed indirectly, on the practical absence of wireless underwater HF-telecommunication. The lack of results has resulted in a lack of publications. That is why the author of this article has carried out various experiments independently of the other inventors.

These works were as follows:
-received the required range of freshwater. Communication range determines the power of the transmitter;
-identified characteristics of propagation of underwater communication in salt water and identified reasons for short-range communications previously received inventors patents; -defined requirements for transmitter, receiver and antennas underwater communications;
-a working theory of underwater high-frequency waves, which is pretty good with practice and allows you to design the required wireless equipment underwater.

2. Структура волн подводной связи. Искажения поля от электромагнитных волн

Для правильного формирования нужной нам структуры волн подводной связи необходимо понять механизм затухания радиоволны в проводящей среде. На рисунке 2.1 приведена структура стандартной радиоволны и принцип образования токов смещения в атомах среды распространения.

Затухание электромагнитных волн в соленой воде (или любом другом проводнике) вызвано прежде всего наличием замкнутых электрических составляющих таких волн. Токи смещения формируют в воде локальные участки с различным потенциалом. Подвижные свободные электроны ( малоподвижные ионы не в счет), находящиеся в большом количестве в межмолекулярном пространстве соленой воды стремятся уровнять потенциалы соседних участков вызывая, таким образом, короткое замыкание для электрической составляющей радиоволны. Расстояний, которые могут пройти свободные электроны в среде до смены знака поля, хватает для создания обратного (гасящего) Е-вектора, что практически вызывает полное затухание радиоволны на дальности (1...2)лямбда.


Вывод: необходимо возбудить в воде (или в любом проводнике, полупроводнике или диэлектрике) линейное электрическое поле без магнитной составляющей. То есть в месте формирования такой волны (на передающей антенне) не должно возникать электрического тока (направленного движения электронов в межмолекулярном пространстве).

Именно из-за отсутствия токов будет более правильным для этого вида поля название "Одкомпонентное поле Е-типа" - 1кпЕт. Это важно и с психологической точки зрения для перелома инерции в теории распространения волн любых типов. Название "линейное электрическое поле" характеризует данное явление менее точно, хотя и может использоваться.

Распространение поля происходит за счет прогибания орбиты валентных электронов в сторону ядра со стороны более отрицательного потенциала. При этом, прогиб орбиты r1 вызывает значительно большие силы (СЯВ) по компенсации этого прогиба, которые и вызывают вспучивание орбиты валентных электронов с противоположной стороны ядра r2. Причем расстояние r2 за счет СЯВ превышает расстояние r1, что и приводит к формированию плоской волны как при распространении радиоволн, так и поля 1кпЕт. Разница 1кпЕт с радиоволной (двухкомпонентным электромагнитным полем) состоит в отсутствии разности электрических потенциалов в поперечном направлении фронта волны (Рис.2.2).


Разница потенциалов в 1кпЕт возникает только в направлении распространения поля, но компенсировать эту разницу свободные электроны в межмолекулярном пространстве не могут, так как поле распространяется со скоростью света (поля) в данной среде в прямом направлении и на каждый электрон суммарно действуют преобладающие силы как раз в направлении распространения поля. В результате электроны лишь колеблются в переменном 1кпЕт относительно своего статистического положения на расстояние r3, которое больше величины r1, но меньше r2.
Причина соотношения (r3 меньше r2) объясняется тем, что электроны на валентных орбитах (а так же на всех внутренних) находятся в левом (по рисунку) положении в течении времени лишь немного большем 50%.

Затухание сформированного 1кпЕт в пространстве возникает за счет следующих факторов:
- за счет расширения площади сферической волны по одинаковому линейному закону с радиоволнами. При канализации энергии 1кпЕт в среде ограниченного сечения (например, русла реки) начиная с некоторого расстояния дальнейшего затухания за счет данного фактора не происходит;
- за счет прохождения 1кпЕт по пути следования через неравномерные области среды с иной скоростью распространения волны. При прохождении поля через такие неоднородности ограниченного сечения на выходе среды возникает разность потенциалов, которую и стремятся уравнять свободные электроны среды;
- за счет краевых эффектов, когда на правом и левом краях фронта волны распространения возникает разность потенциалов;
- за счет формирования в ближней зоне проводящей среды сильных кольцевых токов при формировании паразитного двухкомпонентного электромагнитного поля. В пресной воде и в воздухе такое затухание незначительно.


Представим случай, что на пути распространения 1кпЕт встречается препятствие с одинаковой толщиной по пути распространения поля. Например, лист диэлектрика произвольно ориентированный относительно фронта распространения поля. Поле преодолеет этот барьер почти без затухания. Если же на пути поля встретиться лист проводника ориентированный строго перпендикулярно, то и его поле преодолеет почти без затухания. При развороте листа проводника (относительно строго перпендикулярного положения к полю) будут возникать электрические токи из-за того, что поле достигнет соседних участков проводника с разной фазой. В таком случае затухание поля будет стремительно нарастать в зависимости от угла поворота листа.
Из Рисунка 2.2 видно, что в междуэлектродном пространстве нет разницы потенциалов, а значит нет и тока порождающего магнитную составляющую и приводящую к замыканию линий поля в кольцо. При этом, поскольку вектора Е-поля в междуэлектродном пространстве противоположны относительно внешнего пространства, то очевидна польза изоляции междуэлектродной зоны от внешнего пространства. Данная изоляция устранит токи утечки, уменьшающие хоть и небольшую, но все-же разрушающую силу полезного поля. Кроме того, можно разносить электроды на расстояние кратное длине волны в данной среде. При попытке возбудить 1кпЕт с помощью симметричного вибратора паразитные кольцевые токи вокруг вибраторов просто изменят правильную ориентацию токов смещения и тем самым возникнут токи проводимости разрушающую структуру и полезного нам поля. Кроме того, на концах вибраторов потенциалы стремятся к нулю, что практически блокирует саму возможность возбуждения 1кпЕт.

В процессе проведения экспериментов удалось подтвердить, что при правильном возбуждении электрические токи вблизи антенны и далее в среде распространения отсутствуют, а напряжение ВЧ-сигнала на антенне (электродах) является главным показателем влияющим на напряженность поля и дальность связи.

Итак, для возбуждения 1кпЕт (в общем случае) необходимо:
а) введение в среду передачи (воду, воздух, диэлектрик) двух электродов на расстоянии близком к длине волны в данной среде;
б) подача на электроды противофазных сигналов. Каждый сигнал должен подводиться к антенне в отдельном экранированном кабеле и исключать протекание каких-либо разностных токов ВЧ-сигнала между оплетками. Второй вариант подачи противофазных сигналов без возникновения разностных токов - размещение выходных транзисторов (микросхем, фильтров, трансформаторов и т.д.) непосредственно у электродов.
Длинна волны рассчитывается как:
лямбда=Vср/F (1)
где Vср - скорость света в данной среде, а F - частота передаваемого сигнала.

3. Антенны для 1кпЕт

3.1. Передающие антенны

3.1.1. Антенны в диэлектриках
Начнем с простейшего случая широкополосной передающей антенны для передачи сигналов 1кпЕт в воздухе.
Оптимальные передающие электроды представляют из себя круглые пластины с точкой питания (контактом) посредине приближенные друг к другу - Рис. 3.
Расстояние между электродами выбирается по величине емкости между электродами. Рекомендуемая величина емкости не более 10 пФ на частоте 100 МГц. Пространство между ними предпочтительно заполнить твердым диэлектриком. Радиус пластины электрода (Rэ) не должен превышать четверти длинны волны (в данном случае в воздухе). В противном случае структура поля 1кпЕт будет разрушена и дальность связи упадет. Рекомендуемый радиус электрода не более 19% длинны передаваемой волны. Радиус диэлектрика (Rд) должен превышать радиус пластин на 1-2 толщину диэлектрика (например, при толщине диэлектрика 1мм он должен выступать за края электродов на 1-2 мм).

Также можно нанести на торец диэлектрика замкнутый магнитный поглощающий слой толщиной 1-4 мм из непроводящего материала с магнитной проницаемостью более 10 на рабочей частоте. Можно использовать, например, ферритовое кольцо 20ВЧ соответствующего внутреннего диаметра. Это особенно важно при размещении антенны недалеко от проводящих препятствий в ближней зоне связи (на расстоянии менее 10 длин волн). В этом случае формирование токов в этих предметах может оказать некоторое влияние на саму передающую антенну. Эта ситуация характерна и для обычных радиоволн, но там сложнее защитить антенну от такого влияния.

Была проверена, изготовленная по такому принципу, простейшая антенна из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Антенна обеспечивала связь на частоте 27 МГц в пресной воде, а также связь на частоте 21 телевизионного канала ( удаленной видеокамеры) как в пресной воде, так и в воздухе. Размер антенн в обоих случаях составил 10 см и 5 см (второй вариант). При размещении такой антенны в воде недопустим электрический контакт с водой любых точек питания электродов (кабелей, разветвителей). Конечно это только макет и, при практическом использовании, на медь необходимо нанести проводящую защитную пленку предотвращающую ее окисление, а на диэлектрик непроводящее покрытие для предотвращения поглощения им влаги.

Антенна такого типа может быть использована для распространения волн связи в кусках диэлектриков и полупроводников с большим удельным сопротивлением (малым количеством примесей). Форма антенны (круглые или прямоугольные электроды) неважна при условии выполнения Rэ<<лямбда.

Применение передающей антенны по рисунку 3.1 (со сдвинутыми вместе электродами) в проводящих средах неприемлимо по следующим причинам:
- возникнет ВЧ-ток между электродами через проводящую среду и структура 1кпЕт будет нарушена;
- потребуется увеличить мощность передатчика для преодоления сопротивления среды и поддержания нужной амплитуды на пластинах;
- через проводящую среду возникнут токи утечки на "землю" и сигнал станет практически однофазным, что также вызовет дополнительное затухание полезного сигнала в среде и увеличит ВЧ-токи через элементы антенны.


3.1.2. Антенны в проводящих жидких средах
Передающие антенны размещаются на максимально возможном удалении от металлических поверхностей подводного аппарата на диэлектрических штангах. Рекомендуется для уменьшения связи внешней оплетки со средой прокладывать фидеры питания внутри этих диэлектрических штанг. Электрический контакт с водой (проводящей средой) любых точек питания электродов (разъемов кабелей, разветвителей) недопустим. Кабель питания (ВЧ-фидер) помещается в набор трубок разного диаметра из диэлектрика с суммарной толщиной стенок не менее 4 мм (лучше до 12 мм). Затекание жидкости в пространство между трубками не допускается. Возможно также одевание на кабель полых металлических цилиндров с длинной не более 0,1лямбда. Цилиндры располагаются вплотную один за другим вдоль кабеля, но электрический контакт между ними (и со средой) недопустим. Рекомендуемое расстояние от корпуса подводного аппарата: (2...3)лямбда.


1 вариант.
В проводящих жидких средах, например морской воде, антенна для возбуждения 1кпЕт представляет из себя пустотелый цилиндр из диэлектрика с закрепленных на торцах электродами конусной формы - рис.4. Ближние (друг к другу) точки конусных электродов разнесены на расстоянии длинны волны в жидкой среде, определяемом по формуле 1. Высота конуса h обеспечивает формирование плоского фронта 1кпЕт и определяется из формулы:

h = Vср rэ / Vэ (2)
где, rэ - радиус электрода, Vэ - скорость света в электроде, Vср - скорость волны в среде.

Для коротких волн в данной среде (высоких частот), где длинна цилиндра Lц оказываются слишком малой для практического использования, его длинна может быть увеличена в кратное число раз. При этом возрастает требование к точности изготовления.
Цилиндр заполняется пеноматериалом или, в крайнем случае, воздухом. Внутри цилиндра прокладываются два кабеля одинаковой длинны от противофазных выходов передатчика (или от трансформатора). При этом оплетка кабеля используется как экранирующая трубка и ее необходимо дополнительно рассечь на несколько равных частей для компенсации ВЧ-токов в ней. Толщина диэлектрика кабеля имеет принципиальное значение - задача диэлектрика максимально ослабить связь с экранирующей трубкой.

2 вариант (основной).
В данном варианте конусные электроды экранируются по внутренней части цилиндра - каждый аналогично антенне на Рис.3.1. Соответственно, между конусным электродом и конусным экраном помещается диэлектрик или воздух. В этом варианте появляется возможность разместить выходные транзисторы (или усилители) непосредственно у конусных электродов. При этом необходимо тщательно экранировать цепи питания усилительной схемы. При размещении выходных усилителей непосредственно у электродов уменьшается влияние входных токов усилителей на формирование требуемого поля, а индивидуальные экраны каждого электрода обеспечивают неразрывность поля в междуэлектродной зоне.

3 вариант.
Вариант антенны без применения пустотелого цилиндра и без заполнения междуэлектродного пространства диэлектриком тоже возможен, но эффективность ее ниже и, для нормального формирования 1кпЕт в проводящих средах, рекомендуется разносить электроды на расстояние кратное длине волны. В пресной воде разнесение на расстояние кратное лямбда не обязательно. В качестве электродов здесь предпочтительно использовать эллиптические цилиндры в горизонтальной, вертикальной или комбинированной ориентации (один электрод горизонтально, второй вертикально). На рисунке не показана штанга из диэлектрика к которой и производится крепление электродов.

Передающая антенна с круговой диаграммой представлена на Рис.3.3. Прорези служат для обмена воды и сохранения требуемой проводимости воды, а значит и для сохранения скорости распространения 1кпЕт. Заполнение междуэлектродного пространства другой средой в данном случае не допустимо, так как это приведет к сокращению площади соприкосновения центрального контакта с жидкостью (средой распространения). В таком варианте антенна имеет значительную парусность, а при движении в жидкости возникают сильные завихрения (буруны). Поэтому ее целесообразно применять на стационарных объектах или при движении с низкой скоростью.



3.1.3. Антенны для жестких проводников
Возбуждение 1кпЕт на высоких частотах с напряжением генератора от долей микровольта до сотен вольт с помощью двух электродов (точек подключения) приведено на рис.3.4. В первом варианте применение противофазных выходов передатчика не обязательно. Здесь очень важно добиться строго противофазных значений напряжения в обоих точках запитки рабочего проводника.

Распространение 1кпЕт проверено как в медном, так и в манганиновом (относительно высокоомном) проводнике на частоте 471 МГц. Для точного фазирования точек подключения возбуждающая часть рабочего проводника была загнута в кольцо и подключена на общий проводник максимально близко к коллектору выходного транзистора. Падения напряжения на любой дальности связи не зафиксировано. Разницы между типами проводников (низко- или высокоомном) не зафиксировано.


Наибольший интерес представляет случай, когда подключение генератора ВЧ-сигналов происходит не на конце проводника, а в середине проводника (вариант 2 Рис.3.4). При этом 1кпЕт расходится в противофазе в двух направлениях. В этом случае требуется генератор с противофазными выходами. С помощью данной теории можно объяснить многие эксперименты Н. Теслы, и в частности, выделение "лишней" энергии.

Сразу хочу предостеречь от попыток получать таким способом электроэнергию, так как при больших напряжениях 1кпЕт (более 100 Вольт/см) и при съеме больших токов происходит очень сильное искажение орбит электронов вокруг атомов и, соответственно, стремительная "выработка" внутриядерных связей атомов (молекул) проводника. В конечном счете ближний к ядру электрон сталкивается с одним из протонов ядра. В результате протон в атоме проводника теряет свой заряд с выделением гамма-кванта, то есть превращается в нейтрон и образуется изотоп более младшего (по таблице Менделеева) химического элемента с лишними нейтронами. Дальше происходит процесс излучения лишних нейтронов с локальной потерей структуры проводника и некоторым разогревом. В худшем случае может произойти деление получившегося изотопа на 2 или 3 части, что увеличит количество излучаемых нейтронов и уровень радиации.

Поэтому, в случае съема большой мощности (более нескольких десятков Ватт - другого значения граница пока не имеет) требуется противорадиационная защита. Практически мы получаем устройство близкое по устройству к стандартному ядерному реактору, но без парогенераторов. Такой генератор на порядок безопаснее при работе и, при правильном подборе активного вещества, он полностью безопасен при отключении нагрузки или выключения задающего генератора. То есть, работа идет по принципу - идет съем большой мощности - есть радиация, когда нагрузка отключена - излучения нет и (при условии что наведенная вторичная радиация сведена до безопасных значений) сразу можно заходить в рабочую зону. Весь генератор можно отключить простым тумблером сняв напряжение с задающего генератора. И даже при полном разрушении генератора в окружающую среду не попадет ничего опасного.

Соответственно, при передаче уровней мощности менее 0,1 Ватта процессов описанных выше не происходит и такие схемы абсолютно безопасны.


3.2. Приемные антенны

3.2.1. Стандартные антенны. Сотовые антенны
Как видно из рисунка 2.2 максимальная разность напряженности переменного (динамического) 1кпЕт формируется на протяжении половины длинны волны в среде вдоль направления оси приемной антенны на передающую. То есть мы имеем ситуацию противоположную ситуации на передающем конце. Приемные электроды должны быть совершенно свободны от диэлектрика. Если их размеры значительны, то они должны располагаться со смещением по высоте, чтобы уменьшить эффект затенения дальнего электрода. Общая задача для электродов приемной антенны та же: уменьшить паразитные токи и предотвратить расфазирование разности потенциалов наведенной на приемной паре электродов.

Фидеры питания электродов выполняются из кабеля с волновым сопротивление не менее 300 Ом. Внешняя оплетка кабеля делится на несколько равных частей и не имеет электрического контакта ни со средой, ни с электродами, ни с любой цепью приемника. Она является первой экранирующей трубкой.

Примечание: При необходимости на внешнюю изоляцию кабеля надевается еще одна оплетка или трубка. Эта трубка уже неразрывная и она также не должна иметь электрических контактов ни с одним элементом схемы или средой.

На кабель (или дополнительную трубку) одевается диэлектрик максимально возможной толщины из набора диэлектрических трубок различного диаметра.

Антенна по варианту 1 Рисунка 3.5. Эта антенна предназначена для работы в таких средах, где скорость распространения 1кпЕт в среде (Vср) меньше скорости распространения в материале электрода (Vэ). К таким средам прежде всего относятся жидкости и газы с большой плотностью. Максимум диаграммы направленности находится в направлении раскрыва конуса. Это обеспечивается за счет выравнивания времени прохождения поля (и фазы) через среду распространения к вершине конуса и времени прохождения поля через материал электрода с края основания конуса до точки съема потенциала:

t = H/Vср=Rэ/Vэ (3)
где H - высота конуса, Rэ - длина образующей конуса.

Соответственно при приеме сигнала с противоположного направления происходит вычитание сигналов пришедших в разной фазе в проводнику питания. А при приеме сбоку фаза наводимых сигналов на обоих электродах равна и на первичной обмотке трансформатора образуется нулевая разница потенциалов.
Тем не менее прием с бокового направления возможен, так как на общий проводник приемника тоже наведётся потенциал в какой-то фазе. Если приемник будет располагаться в другой среде, то потенциал его общего проводника можно будет приравнять к нулю. Учесть эту разность потенциалов между вторичной обмоткой трансформатора и общим проводником приемника трудно - но практически это означает, что при небольших дальностях связи не обязательно создавать систему с автовыбором, состоящей из нескольких антенн и приемников, разнесенных по направлению. Достаточно будет иметь один приемник с электродами в виде пластин или стержней (вместо конуса). В отличии от передатчиков, приемная антенна с двумя электродами иметь круговую диаграмму направленности не может. Сотовая антенна может лишь частично компенсировать этот пробел. Антенна с круговой диаграммой направленности на границе сред (в том числе со второй искусственной средой) будет описана далее.

Вернемся к антенне по варианту 1 Рисунка 3.5. Каждый электрод - это полый конус с точкой питания в вершине.
Требования к приемным электродам (полым конусам):
а) рекомендуемая толщина стенок 2...4 мм;
б) высота конуса рассчитывается по формуле (3);
в) оптимальное размещение электродов: разнесение электродов на половину длинны волны в данной среде.

Антенна по варианту 1а Рисунка 3.5 может использоваться для работы в воздушной среде. Но ее конструкция приведена лишь для понимания логики суммирования сигнала в точке съема потенциала. Здесь, для выравнивания времени прохождения сигналов различными скоростями с вершины электрода и с края "поплавка", приемный конус развернут и образующие конуса составляют острый угол.


Антенна по варианту 2 может использоваться в любой среде. При использовании в проводящей среде, все её элементы (кроме электродов) должны быть электрически изолированы от этой среды.
а) каждый электрод - это эллиптический цилиндр (стержень) со следующими характеристиками:
- максимальная ось эллипса: не более 5% длинны принимаемой волны с точкой съема (контактом) посредине;
- минимальная ось эллипса: не менее 4 мм;
- длина стержня: не более 19% длинны принимаемой волны в данной среде. Второй вариант электрода: конус из проводящего материала с радиусом основания не более 19% длинны принимаемой волны и толщиной материала конуса не менее 4 мм (отличие приемных электродов от электродов передающих антенн изготовленных по вариантам 1 и 2 рисунка 3.2 в толщине материала).

Антенна по варианту 3 - это разновидность антенны по варианту 2 с симметричной диаграммой направленности в обоих направлениях.

При приеме длинных волн размер приемных антенн может быть существенно уменьшен при условии увеличения входного сопротивления приемника до нескольких кОм. В таком случае на малых электродах наведётся точно такое же напряжение, как и на больших. Применение больших электродов целесообразно только при низкоомном входе приемника или на больших расстояниях связи для улучшения отношения сигнал/шум.

Вариант приемной антенны с фазовращателем когда приемные электроды можно помещать на более близкое расстояние требует выполнения ряда условий, многие из которых трудно учесть заранее. Например, на величину сигнала на приеме и фазовые искажения будет влиять геометрия кабеля, размер корпуса приемника, его положение относительно электродов и т.д.

При приеме слабых сигналов рекомендуется применять сотовые антенны. Поскольку размер приемного электрода ограничен сверху (он не может превышать лямбда/4), то каждый электрод можно формировать из отдельных дисков, расположенных как вплотную друг к другу, (или на расстоянии превышающем размер каждого отдельного диска для снижения экранирующего эффекта дальнего электрода). Рекомендуемый вариант: приближенные друг к другу шестиугольники (обрезанные конусы) в каждом электроде и, при этом, разнесение этих составных сотовых электродов по высоте. От каждого отдельного диска составного электрода отходит кабель одинаковый длинны для оптимального суммирования сигнала.

Сотовые антенны также могут найти применение и на передающем конце, например:
- для формирования более узкой диаграммы направленности;
- для создания для более плоского фрота распространения волны;
- для перекрытия всей толщины среды распространения (например, куска диэлектрика) синфазной 1кпЕт.

На приеме возможно применение как приемников с однофазным входом (где один из электродов подключается на сигнальный конец входа, а второй на общую цепь), так и с противофазными входами. Однофазные приемники особенно предпочтительны в системах пеленгации, когда при повороте эффект затенения дальней (сигнальной) пластины специально выполненной меньшего на 10-30% размера электрода подключенной к общей цепи дает примерное направление на источник сигнала. А точное направление можно получить разворачивая антенну по минимуму принимаемого сигнала, когда фронт волны 1кпЕт приходит на обе пластины в одной фазе.

Конструкция приемных антенн практически одинакова для всех видов сред:
жидкой (например пресной и соленой воде), газообразной или в твердом диэлектрике. Разница только в противокоррозионном свойствах электродов.

3.2.2. Антенны для жестких проводников
Приемные антенны для жестких проводников при однопроводной передаче - это просто две точки съема принятого сигнала, которые вполне можно выполнить пайкой к рабочему проводнику 1кпЕт. При этом сигнальный конец приемника подключается к ближней к источнику сигнала (передатчику) точке проводника, а общий (или земляной) к дальней точке проводника на расстоянии половины длинны волны в проводнике (рис.3.4). Допускается также применение двухфазных входов приемника.

Гораздо проще выполняется съем принятого сигнала с двух противофазных проводников выравненных по длине (а значит и по требуемой разности фаз) и проложенных параллельно. Нагрузка в этом случае подключается так же как и на обычной электросети. Разница только в затухании ВЧ-сигналов: затухание практически отсутствует независимо от сопротивления проводника и, соответственно, становится возможным снимать большой ток даже с тонких проводников любой проводимости.

3.2.3. Приемопередающие антенны
Все вышеизложенное позволяет сформулировать требования к дуплексной системе связи с единой приемо-передающей антенной. Такая антенна выполняется по варианту 3 рисунка 3.5. При этом, если антенна размещается на подводном аппарате, то для получения максимальной дальности связи частота передачи равна Fпрд из соображений совпадения расстояния между электродами с длинной волны в воде, а оптимальная частота приемника будет в два раза ниже. Соответственно на берегу или на надводном судне дуплексные частоты назначаются обратными, а размеры оптимальных раздельных передающей и приемной антенны различаются в 4 раза.

Пример: антенна глобальной связи на подводной лодке для приема на частоте 66 МГц и для передачи на частоте 132 МГц будет иметь размеры около 1,7 метра при солености воды 35 промилле (океанская вода). Соответственно, на береговой станции связи приемная антенна на частоте 132 МГц будет иметь размер 0,85 метра, а передающая антенна на частоте 66 МГц около 3,4 метра. Реально соленость прибрежной воды ниже и размеры антенн (расстояние между электродами) будут больше.


3.3. Прием 1кпЕт на радиоантенны

Такой прием возможен на симметричные вибраторы при отклонении оси вибраторов от строго перпендикулярного направления на источник 1кпЕт с низкой эффективностью. Дальше все зависит от корпуса приемника который может существенно подкорректировать напряжение наведенное на общем проводнике кабеля идущего от антенны и тем самым увеличить сигнал на приеме. При приеме на несимметричный вибратор все также определяется разницей фаз между корпусом приемника, находящемся в той же среде, и напряжением на точке вибратора подключаемой к антенне.

3.4. Прием и передача на границе двух сред

Возбуждение и прием 1кпЕт также возможны при помещении в среду распространения только одного из электродов. Второй электрод оставшийся в другой среде практически приравнивается к нулевому потенциалу относительно нужной среды, но он должен иметь значительные размеры. Происходит это из-за разности длин волн в этих двух средах. И процесс этот двоякий. В результате часть энергии излучается в другую среду, что не всегда оправдано практически. А при приеме этот способ весьма эффективен с точки зрения получения максимального уровня.

Наиболее важен такой способ связи в системе индивидуального мониторинга шахтеров (по их месту нахождения, их пульсу и температуре тела) и оперативной связи. Каждый из ботинков шахтера представляет собой приемо-передающую антенну (близкую к антенне на рисунке 3):
- нижний слой подошвы это небольшой по площади металлический электрод с несколькими шипами, то есть это электрод помещаемый (при надавливании) в среду распространения - грунт;
- следующий тонкий слой - высоковольтная изоляция для предотвращения поражения электрическим током, с максимальным коэффициентом диэлектрической проницаемости для получения величины емкости на грунт в районе 100-1000 пФ (требует практического уточнения);
- затем идет электрод общей цепи приемо-передатчика, занимающий всю площадь ботинка;
- далее - обычная подошва.

При правильном подборе напряжения передатчика, частоты передачи (и приема) в зависимости от интегрированных (в данном регионе) свойств земли дальность связи может достигать требуемых значений.

Недостатки данного способа связи при приеме и передаче в водных средах:
- при волнении на воде верхний электрод захлестывает волнами и условия приема (и передачи) периодически существенно меняются, а помещение верхнего электрода в диэлектрическую оболочку в данном случае ситуацию почти не улучшит;
- помеховая обстановка существенно хуже за счет побочного приема сигналов различных передатчиков, расположенных в воздушной среде. Здесь следует отметить, что при проверках приема под водой (когда оба электрода располагаются под водой) условия приема просто идеальны и даже при слабом полезном сигнале практически не слышно эфирных шумов.
Частично компенсировать недостатки такого способа передачи и приема в море можно создав точку подключения второго электрода в искусственной воздушной среде под водой - Рис. 3.6.

Наличие внутреннего автономного источника с заземленным анодом обеспечивает дополнительную "подвязку" общего электрода за счет малоподвижных ионов внутри аккумулятора. Световодная развязка приемника с оператором или аппаратурой обработки обеспечивает минимум влияния подводящих кабелей на общий потенциал внутри искусственной среды.

4. Отражение волн. Локация

Отражение волн 1кпЕт в чистом виде от различных предметов может достигать нормальных для локации величин только в случае особого построения передатчика - рис.4.1.
Передатчик должен передавать одиночные прямоугольные импульсы или пилообразные импульсы с полным выключением в паузе. При достижении цели фронт волны проходит в вещество цели на расстояние длинны волны в материале цели создавая зону с потенциалом, а в последующей паузе, когда всякое воздействие передатчика прекращается начинается процесс рассасывания этого потенциала (выпрямление орбит электронов). При этом в обе стороны расходится импульс. Часть энергии уходит дальше в вещество цели, а часть отражается в сторону передатчика.
Понятно, что с целью маскировки такую волну легко подавить с помощью дифференциально-проницаемого слоя с нанесенным на внутреннюю часть этого слоя резистивного слоя с объемной проводимостью 100-1000 Ом. Сокращенно ДПР-защита. Такая защита, согласно данной теории, будет также иметь подавление и для обычных радиоволн (например от ПЛ после всплытия) начиная с радиоволн метрового диапазона и выше по частоте.

Таким образом, отражение 1кпЕт происходит в основном от проводников и полупроводников за счет формирования обычных радиоволн.

Данное положение не позволяет осуществить локацию военных подводных целей общепринятым сейчас способом, но позволяет обнаруживать их хорошо известным методом завесы, применявшимся ранее в некоторых серийно выпускавшихся радиолокаторах. Такие локаторы вновь воссоздаются в связи с применением "стелс"-технологий. Разница только в использовании моноимпульсных сигналов с частотой повторения варьируемой по псевдослучайному закону, наиболее трудно подавляемых аппаратурой РЭБ. При таком методе локации применение прямоугольных импульсов становится необязательным.

5. Методика определения параметров антенн 1 кпЕт

Наиболее простой метод подбора параметров антенн: метод измерения АЧХ (амплитудно-частотной характеристики) канала связи с помощью измерителя АЧХ или анализатора спектра со следящим генератором (в режиме измерения АЧХ).
Методика будет описана на примере подбора параметров антенн на частоте 800 МГц в воздухе (37,5 см).

5.1. На первом этапе изготавливается широкополосная передающая антенна согласно Рис.3.1 и приемная антенна по варианту 2 или 3 Рисунка 3.5.
Материал для изготовления передающей антенны - двухсторонний фольгированный стеклотекстолит (или фторопласт). Рекомендуемые параметры:
- толщина стеклотекстолита - 1...1,5 мм;
- диаметр антенны или размер стороны квадрата 40...60 мм;
- магнитная проницаемость ферритового кольца трансформатора - 20НН, количество витков 2...4;
- способ запитки антенны - витая пара;
- место размещения кабеля передатчика под прямым углом к оси антенны на удалении 20...60 см.

Рекомендуемые параметры приемной антенны:
- приемные электроды - шпилька М5..М10 длиной 40...60 мм;
- фидеры - кабель ИКМ-300 (или самодельный аналог с эквивалентным волновым сопротивлением до 1 кОм) с отключенной внешней оплеткой. Внешнюю оплетку желательно разрезать на несколько равных!!! отрезков. Тем самым максимально снижается влияние паразитных напряжений, наведенных на проводники от антенны до входа приемника (трансформатора);
- расстояние между электродами равно половине длинны волны в воздухе (для нашего примера расстояние между электродами приемной антенны 18,8 см).

Передающая и приемная антенна разносятся на расстояние 3...5 длин волн. Для нашего примера передающую и приемную антенну рекомендуется располагать на расстоянии 1-1,5 метра друг от друга. Если сдвигать антенны ближе, то образуется много побочных откликов (максимумов АЧХ), но они не представляют практического интереса и их можно не учитывать.

5.2. Включаем измеритель АЧХ и добиваемся максимума передаточной характеристики в воздухе на частоте 800 МГц (для данного примера) подбором следующих элементов схемы:
- параметрами трансформаторов на приемной и передающей антенне (диаметром ферритового кольца, количеством витков первичной и вторичной обмоток трансформаторов;
- размерами электродов приемной и передающей антенны;
- трассой прокладки кабелей от разъемов измерителя АЧХ к антеннам;
- величиной экранирования фидеров к антеннам. Материал для экранирования фидеров: сочетание пенопласта, металлических трубок, трубок ПВХ.

5.3. Помещаем обе антенны в пресную воду. Ширина и глубина бассейна не имеют никакого значения. Ограничения:
- бассейн не должен быть металлическим;
- между приемной и передающей антенной не должно быть препятствий.
Повторяем подбор элементов схемы по п.5.2. ри этом максимум характеристики АЧХ сдвигается по частоте вниз. Отношение частоты 800 МГц и максимума частоты при данной проверке и будет показывать на какую величину уменьшится скорость распространения 1кпЕт в пресной воде.
ВНИМАНИЕ! Не допускается касание воды электрически-неизолированных частей схемы. В противном случае поле начнет формироваться через эти точки замыкания воды в бассейне на элементы схемы и что, наиболее вероятно, будет сформировано двухкомпонентное ЕН-поле (паразитная электромагнитная волна). При погружении каких-то элементов схемы в воду (конечно, кроме самих электродов приемной и передающей антенн) они должны быть гарантировано изолированы от воды.

5.4. Заменяем передающую антенны на другую, изготовленную по варианту 2 рисунка 3.2 с выносом выходных транзисторов (микросхем) непосредственно к своим электродам. Как видно из схемы противофазная запитка выходных транзисторов обеспечивается трансформатором с предыдущего каскада усиления (или генератора).
ВНИМАНИЕ! Расстояние между электродами передающей антенны должно быть в 2 раза выше, чем в приемной антенне, то есть равняться длине волны в среде. Для нашего примера это 37,5 см. Повторяем настройки схемы по п.5.3. При необходимости проводим повтор калибровки тракта с таким вариантом передающей антенны в воздухе.
5.5. Растворяем в воде поваренную или морскую соль до концентрации 5 промиле. Выполняем п.5.3. Доводим концентрацию соли в воде до требуемой с повторением подстройки элементов схемы.

6. Перспективы

6.1. Подводная связь. Подводная навигация

Прежде всего требуют доработки передатчики маячков бортовых самописцев ("черных ящиков") для облегчения их поиска. Установленная на них антенна по рисунку 3.2 (вариант 1 или 2) может выдавать импульсы для пеленгации под водой. При чем, при падении в морскую воду передача ведется в одном диапазоне частот (определяемом по методикам главы 5), а при падении в пресную или в воздухе, в другом.

Беспроводная связь с подводными объектами становится более дальней и широкополосной. Очень легко передавать сигналы оператору с нескольких подводных телекамер дистанционно-управляемого аппарата.

Становится возможным организовать беспроводную сеть в группе аквалангистов и контролировать их взаимное положение, состояние их организма и остаток воздуха в баллонах. Кроме того, аквалангисты вблизи берега (там где будут установлены подводные базовые станции) смогут использовать сотовые телефоны.

Подводная локация (по методу завесы) становится действенной мерой ПЛО и противодиверсионной защиты.

Подводные маячки, аналоги GPS-ГЛОНАС, позволят с большой точностью позиционировать подводные объекты.

6.2. Воздушная связь

Передатчики 1 кпЕт позволят существенно снизить мощность телевизионных и радиовещательных передатчиков за счет существенного увеличения волнового сопротивления передающей антенны. Вопрос перевода сотовой связи на 1кпЕт требует практической проверки.
Также значительные выгоды дает применение 1кпЕт для связи с самолетами и кораблями.

6.3. Подземная связь

Как уже писалось, здесь главное обеспечить мониторинг шахтеров.

Кроме того, возможно использование подземной связи для боевого управления войсками, особенно при боях в городе, где здания и рельеф местности оказывают сильный экранирующий эффект для обычной радиосвязи, а применение 1кпЕт позволит осуществлять связь через землю, использовав специальные антенны или ботинки как у шахтеров.

6.4. Проводная связь

Становится возможной подача сигналов связи малой напряженности по одному проводнику (фидеру) любого качества (модернизированный вариант Теслы).

Появляется подход к выпуску серийных модулей автономного питания на низкие напряжения (по габаритам аналогичным известным модулям Traco). Такие модули (вечные батарейки) с выходной мощностью не более 1 Вт можно устанавливать (по несколько штук) в автомобили для подзарядки стартерных аккумуляторных батарей на стоянке, для запитки охранной сигнализации, аварийного освещения и так далее. Можно размещать такие модули в сотовых телефонах для подзарядки штатных аккумуляторов. Так же возможно их применение в медицинской аппаратуре и так далее.

Послать сообщение автору


опубликовано 21 марта 2011 года.
Версия 1.0 от 3.04.11г.
Версия 1.1 от 4.04.11г.
Версия 1.2 от 7.04.11г.
Версия 1.3 от 9.04.11г.
Версия 2.0 от 10.04.11г.