RU2509398C2

RU2509398C2 - Method of receiving extremely low frequency radio signals

Info

Publication number: RU2509398C2
Application number: RU2011140927/08A
Authority: RU
Inventors: Виктор Леонидович Муравченко; Андрей Андреевич Катанович; Валерий Николаевич Ершов; Игорь Чубарович Бабкин; Владимир Алексеевич Сасов
Priority date: 2011-10-07
Filing date: 2011-10-07
Publication date: 2014-03-10
Also published as: RU2011140927A

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: size of the vertical element of an antenna is calculated based on the condition of providing a Pointing vector maximum while the horizontal element of the antenna is directed towards a correspondent, wherein the antenna is designed for a zone in which the value kr≤1, where k=2 π/λ, r is the distance to the radiator, and the inclination angle θ=0…π/2, in which the vector has a maximum value.

EFFECT: increasing the energy of an ELF signal without increasing the power of the radio transmitter.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к радиопередающим антеннам диапазона частот ≤ 30 Гц.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to radio transmitting antennas in the frequency range ≤ 30 Hz.

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.Currently, this frequency range is used in geodesy, as well as for communication with correspondents who are underground or under water. The task of increasing the signal in the ELF range is relevant and at the same time is associated with serious material and technical problems.

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).An increase in the signal level in this range is achieved by increasing the transmitter power, improving the matching of the output impedance of the transmitter with the input impedance of the antenna, and increasing the geometric dimensions of the antenna (Pistolkors A.A. Antennas. Svyazizdat, 1947; S. Schelkunov and G. Friis. Antennas. M., Sov.Radio, 1955).

К недостаткам этих способов повышения энергии сигнала следует отнести существенное увеличение габаритов антенны и материальных затрат на реализацию этой цели.The disadvantages of these methods of increasing the signal energy should include a significant increase in the dimensions of the antenna and material costs for the implementation of this goal.

Известен способ увеличения энергии сигнала за счет использования заземления (Фредин А.З. Антенны СДВ и ДВ. Л.: ЛЭИС, 1989).A known method of increasing the signal energy due to the use of grounding (Fredin A.Z. Antennas SDV and DV. L .: LEIS, 1989).

Этот способ при реализации также требует больших материальных затрат.This method, when implemented, also requires large material costs.

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).The prototype of the proposed method is a method of increasing the signal in the ELF range by using capacitive loads in the upper part of vertically standing antennas (Korchagin Yu.A. Antennas of extremely low - very low frequencies. Voronezh: REFF, 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.The disadvantage of the prototype is that when working in an area where kr≤1 (k = 2π / λ, r is the distance to the emitter), the Poynting vector, when the angle of deviation from the vertical axis changes, changes both in absolute value and in the direction, with the maximum value of the absolute value, it is directed in a direction that does not coincide with the direction to the horizon (90 ° relative to the vertical axis), as is the case in the far zone, where kr >> 1, which reduces the signal energy near the horizon, worsening signal reception conditions.

Целью изобретения является повышение энергии сигнала в КНЧ диапазоне без увеличения мощности передатчика.The aim of the invention is to increase the signal energy in the ELF range without increasing the transmitter power.

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.This goal is achieved in that the value of the vertical element of the antenna is calculated from the condition of ensuring the maximum of the Poynting vector, and the horizontal element of the antenna is directed at the correspondent, while the antenna is intended for the zone in which the value is kr≤1, where k = 2π / λ, r - the distance to the emitter, and the interval of the angle of inclination θ = θ ... π / 2, in which the vector has a maximum value.

Известны (Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1971) выражения для максимальных значений векторов напряженности электрического поля Ė_mr и Ė_mθ и магнитного ${\dot{H}}_{m φ},$

определенных в сферической системе координат для элементарного электрического вибратора, возбуждаемого гармоническим колебанием:There are well-known (Volman VI, Pimenov Yu.V. Technical Electrodynamics. M .: Communication, 1971) expressions for the maximum values of the electric field vectors Ė _mr and Ė _mθ and magnetic

{\dot{H}}_{m φ},

defined in a spherical coordinate system for an elementary electric vibrator excited by harmonic oscillation:

где Ė_mr - проекция векторного потенциала монохроматического поля на орт r₀;where Ė _mr is the projection of the vector potential of the monochromatic field onto the unit vector r ₀ ;

I_m - амплитуда тока в элементарном вибраторе;I _m - current amplitude in an elementary vibrator;

ω - круговая частота тока в вибраторе;ω is the circular frequency of the current in the vibrator;

ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость;ε ₀ is the absolute dielectric constant;

l - длина вибратора;l is the length of the vibrator;

где Ė_mθ - проекция векторного потенциала монохроматического поля на орт θ₀;where Ė _mθ is the projection of the vector potential of the monochromatic field onto the unit vector θ ₀ ;

где ${\dot{H}}_{φ}$

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

{\dot{H}}_{φ}

- the projection of the vector potential of the monochromatic field on the unit vector φ ₀ lying in a plane perpendicular to the Z axis (see Figure 1).

Приведем комплексные выражения (1), (2) и (3) к показательной формеWe give the complex expressions (1), (2) and (3) to the exponential form

где

Where

где

Where

где α_h=arctg(kr);where α _h = arctan (kr);

d=k²r²+1.d = k ² r ² +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.It is also known (Fredin A.Z. Antennas SDV and DV. L .: LEIS, 1989) that in the super-long wavelength range, when the emitter is very short compared to the wavelength of the generated oscillation, the emitter can be considered as a Hertz dipole.

Найдем суммарный вектор напряженности электрического поля Ė_m, сложив векторы Ė_mr и Ė_mθ с учетом их взаимной перпендикулярности (см. Фиг.1):Find the total vector of the electric field Ė _m, adding the vectors Ė _mr and Ė _mθ , taking into account their mutual perpendicularity (see Figure 1):

где a=(k²r²+l)cos²θ,where a = (k ² r ² + l) cos ² θ,

b=0,25(k⁴r⁴-k²r²+1)sin²θ,b = 0.25 (k ⁴ r ⁴ -k ² r ² +1) sin ² θ,

Вектор Пойнтинга определяется выражениемThe Poynting vector is determined by the expression

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

,Substituting expressions (6) and (7) into formula (8) and expressing ω through

,

получаем следующее расчетное соотношение для вектора Пойнтинга: we obtain the following calculated relation for the Poynting vector:

где c - скорость света.where c is the speed of light.

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 θ_m, соответствующее этому максимуму, определяется заданной величиной kr.Analysis of the dependence of the value of the Poynting vector on the angle θ showed that for values of kr≤1 the vector has a maximum value in the range θ = 0 ... π / 2, and the value of the angle θ _m corresponding to this maximum is determined by the given value of 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.As an example, figure 2 shows a graph of the change in the value of the Poynting vector depending on the change in the angle θ for values kr = 0.7, which corresponds to f = 30 Hz, λ = 10 ⁴ kM, r = 1,11 · 10 ³ kM or f = 3 Hz, λ = 10 ⁵ kM, r = 1.11 · 10 ⁴ kM. The value of P on the graph is normalized to the first fractional factor in formula (10), which is independent of θ and kr.

Формула нормированного значения вектора Пойнтинга приведена нижеThe formula for the normalized value of the Poynting vector is given below.

В данном случае превышение максимального значения вектора Пойнтинга при θ_m=1,1 (63°) над величиной вектора Пойнтинга при

составляет 1,2. Максимальное превышение составляет 1,4 при kr=1 и

.In this case, the excess of the maximum value of the Poynting vector at θ _m = 1.1 (63 °) over the value of the Poynting vector at

is 1.2. The maximum excess is 1.4 at kr = 1 and

.

С учетом того что вектор Пойнтинга перпендикулярен к плоскости, в которой лежат векторы Ė_m и ${\dot{H}}_{φ},$

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:Given that the Poynting vector is perpendicular to the plane in which the vectors Ė _m and

{\dot{H}}_{φ},

and taking into account the fact that its direction is determined by the rule of the right gimlet (Kalashnikov SG Electricity. M .: Nauka, 1977), the angle ψ between the Z axis and the Poynting vector is calculated by the formula:

где

Where

Подставляя в формулу (12) значения θ_m и γ, соответствующие максимальной величине П, получим значения угла ψ.Substituting in the formula (12) the values of θ _m and γ corresponding to the maximum value of P, we obtain the values of the angle 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

.Thus, in contrast to the far zone, in which the maximum values of the Poynting vector are independent of the value of kr and always correspond to an angle of inclination relative to the Z axis of 90 °, in the near zone, the angle of inclination of the Poynting vector to the horizon changes as the value of kr changes. From this it follows that in order for the maximum Poynting vector to be directed to the horizon, it is necessary to tilt the emitter in the direction of the correspondent by an angle equal to

.

При kr<1 пределы изменений угла β=-1°…57°.When kr <1, the limits of the angle 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.The problem of the tilt of the emitter can be solved by using horizontal and vertical conductors as radiating elements of the antenna connected to the output of the transmitter, and the horizontal conductor should be directed towards the correspondent. The vertical and horizontal conductors are two current vectors, the total current vector of which determines the spatial orientation of the electric field intensity vector of the generated oscillation, which is equivalent to the antenna tilt.

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:Since the direction of the maximum Poynting vector when using a vertical emitter is close to vertical, it is advisable to make the emitter horizontal. In this case, the maximum values of the Poynting vector will be close to the horizon. When used simultaneously with a horizontal and vertical emitter, it is possible to ensure the exact direction of the vector to the horizon. The length of the vertical emitter is determined by the following ratio:

где l - длина фиксированного горизонтального излучателя антенны.where l is the length of the fixed horizontal antenna emitter.

Зная пределы изменений угла β, легко определить пределы изменений величины h, которые составят 0…0,65·l.Knowing the limits of changes in the angle β, it is easy to determine the limits of changes in the value of h, which will be 0 ... 0.65 · l.

Углом β=-1° можно пренебречь, заменив на 0°, из-за малой его значимости для практики.The angle β = -1 ° can be neglected, replaced by 0 °, due to its low significance for practice.

Алгоритм реализации предлагаемого способа повышения энергии сигнала КНЧ диапазона представлен ниже.The implementation algorithm of the proposed method for increasing the energy of the ELF signal is presented below.

1. По известным величинам длины волны генерируемых колебаний λ и расстояния до корреспондента r рассчитывается величина kr.1. Using the known values of the wavelength of the generated oscillations λ and the distance to the correspondent r, the value kr is calculated.

2. Строится график функции П_H(θ) с использованием формулы (11), с учетом рассчитанной величины kr (аналогичный представленному на Фиг.2), и определяется θ_m величина угла θ, соответствующая максимальному значению вектора Пойнтинга.2. The function функции _H (θ) is plotted using formula (11), taking into account the calculated value of kr (similar to that shown in FIG. 2), and θ _m determines the angle θ corresponding to the maximum value of the Poynting vector.

3. По формуле (13), с учетом определенных величин kr и θ_m, рассчитывается угол γ, зависящий от соотношения абсолютных значений векторов E_r и E_θ.3. According to the formula (13), taking into account certain values of kr and θ _m , the angle γ is calculated, which depends on the ratio of the absolute values of the vectors E _r and E _θ .

4. По формуле (12), с учетом определенных величин θ_m и γ, рассчитывается угол ψ, показывающий направление вектора Пойнтинга.4. According to formula (12), taking into account certain quantities θ _m and γ, the angle ψ is calculated, which shows the direction of the Poynting vector.

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.5. According to formula (14), taking into account a certain value of the angle ψ and a fixed value of the length of the horizontal emitter l, the height of the vertical emitter h is calculated, which provides the required slope of the equivalent emitter to bring the maximum of the Poynting vector to the horizontal plane.

Длина горизонтального излучателя в КНЧ диапазоне всегда существенно меньше длины волны генерируемого колебания и определяется технико-экономическими факторами.The length of the horizontal emitter in the ELF range is always significantly less than the wavelength of the generated oscillation and is determined by technical and economic factors.

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.Thus, the implementation of the above method allows to increase the signal energy in the ELF range by 20 ... 40% in the direction of the correspondent, which helps to improve the characteristics of communication channels at these frequencies.

Claims

The method of receiving ultra-low frequency radio signals, namely, that the magnitude of the vertical element of the antenna is calculated from the condition of ensuring the maximum of the Poynting vector, and the horizontal element of the antenna is directed to the correspondent, while the antenna is designed for the zone in which the value is kr≤1, where k = 2π / λ, r is the distance to the emitter, and the interval of the angle of inclination θ = 0 ... π / 2, in which the vector has a maximum value.