СПОСОБ ПРИЕМА РАДИОСИГНАЛОВ КРАЙНЕНИЗКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА
METHOD OF RECEIVING EXTREMELY LOW FREQUENCY RADIO SIGNALS

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.
mr
mθ
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>m</mi><mi>φ</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow>
Известны (Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1971) выражения для максимальных значений векторов напряженности электрического поля Ė и Ė и магнитного
определенных в сферической системе координат для элементарного электрического вибратора, возбуждаемого гармоническим колебанием:
mr
0
где Ė - проекция векторного потенциала монохроматического поля на орт r;
m
I - амплитуда тока в элементарном вибраторе;
ω - круговая частота тока в вибраторе;
0
ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость;
l - длина вибратора;
mθ
0
где Ė - проекция векторного потенциала монохроматического поля на орт θ;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>˙</mo></mover><mi>φ</mi></msub></mrow>
0
где
- проекция векторного потенциала монохроматического поля на орт φ, лежащего в плоскости, перпендикулярной к оси Z (см. Фиг.1).
Приведем комплексные выражения (1), (2) и (3) к показательной форме
где
где
h
где α=arctg(kr);
2
2
d=kr+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.
m,
mr
mθ
Найдем суммарный вектор напряженности электрического поля Ė сложив векторы Ė и Ė с учетом их взаимной перпендикулярности (см. Фиг.1):
a
2
2
2
где =(kr+l)cosθ,
4
4
2
2
2
b=0,25(kr-kr+1)sinθ,
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.
m
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, соответствующее этому максимуму, определяется заданной величиной kr.
4
3
5
4
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=10 кМ, r=1,11·10 кМ или f=3 Гц, λ=10 кМ, r=1,11·10 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
m
В данном случае превышение максимального значения вектора Пойнтинга при θ=1,1 (63°) над величиной вектора Пойнтинга при  составляет 1,2. Максимальное превышение составляет 1,4 при kr=1 и .
m
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>H</mi><mo>˙</mo></mover><mi>φ</mi></msub><mo>,</mo></mrow>
С учетом того что вектор Пойнтинга перпендикулярен к плоскости, в которой лежат векторы Ė и
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
m
Подставляя в формулу (12) значения θ 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.
H
m
2. Строится график функции П(θ) с использованием формулы (11), с учетом рассчитанной величины kr (аналогичный представленному на Фиг.2), и определяется θ величина угла θ, соответствующая максимальному значению вектора Пойнтинга.
m
r
θ
3. По формуле (13), с учетом определенных величин kr и θ, рассчитывается угол γ, зависящий от соотношения абсолютных значений векторов E и E.
m
4. По формуле (12), с учетом определенных величин θ 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.