ПЕРЕДАЮЩАЯ АНТЕННА ШАХТНОЙ СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОЙ СВЯЗИ

Передающая антенна шахтной системы беспроводной связи относится к антенно-фидерным устройствам, работающим в диапазоне сверхдлинных волн, и предназначена для прокладки в горных выработках рудников и шахт, в том числе угольных, опасных по газу и пыли.
Основным фактором, определяющим условия эксплуатации и особенности конструктивного выполнения передающих антенн шахтных беспроводных каналов связи, является высокий уровень затухания радиосигналов, проходящих через толщу горных пород, что обуславливает использование диапазона сверхдлинных волн и применение передающих антенн большой протяженности с большими значениями подводимой мощности. Кроме того, опасным фактором является высокая вероятность присутствия в атмосфере горных выработок взрывоопасных воздушных смесей газов, а также пыли, что особенно характерно для угольных шахт.
Известны передающие антенны для шахтных систем беспроводной связи, работающие в диапазоне сверхдлинных волн, выполненные в виде изолированного провода или одножильного кабеля, подключенного к источнику сигнала и проложенного по горным выработкам (кн. И.Ф.Огороднейчук и др. «Низкочастотная беспроводная связь в шахтах», М., «Недра», 1975 г., стр.66-84). Длина полотна такой антенны в условиях опасных по газу и пыли может составлять несколько десятков или сотен метров, а подводимая мощность достигать значений единиц Вт. Данные антенны выбраны за ближайший аналог (прототип) заявляемой полезной модели.
Недостатком наиболее близкого аналога (прототипа) являются ограниченные условия использования, связанные с требованиями искробезопасности, накладываемыми на подводимую к антенне мощность и влияющими на ее геометрические размеры, что не позволяет использовать антенны большой протяженности с большими значениями подводимой мощности в условиях шахт опасных по газу и пыли.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении устойчивой беспроводной связи по всей глубине и протяженности шахтного поля в условиях опасных по газу и пыли.
Достигаемый при этом технический результат заключается в распространении антенн диапазона сверхдлинных волн с большой подводимой мощностью на условия, опасные по газу и пыли.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что используется передающая антенна, выполненная в виде электрического токопроводящего элемента, проложенного по горным выработкам и подключенного к источнику сигнала сверхдлинных волн.
От ближайшего аналога (прототипа) заявляемая передающая антенна отличается тем, что токопроводящий элемент содержит k изолированных друг от друга проводов, подключенных параллельно к источнику сигнала так, что значение тока в каждом проводе не превышает искробезопасный уровень, а сумма токов всех проводов обеспечивает достаточную для выполнения задач связи или сигнализации величину электромагнитного поля, при этом количество проводов k определяется из соотношения:
i
imax
k≥∑I/I, где
i
∑I - ток, необходимый для обеспечения устойчивой связи,
imax
I - максимально допустимое по условию искробезопасности значение тока в i-том проводе.
Кроме того, токопроводящий элемент может быть выполнен в виде кабеля и может быть разделен по длине на участки, каждый из которых содержит элементы, ограничивающие запасаемую в антенне энергию и/или
компенсирующие индуктивность антенны, которые могут быть выполнены в виде конденсаторов.
Искробезопасность антенны обеспечивается за счет разделения общего тока антенны на отдельные токи изолированных проводов, в каждом из которых значение величины тока является искробезопасным.
Для обеспечения безопасного напряжения на луче (рамке) антенны, индуктивность каждого участка компенсируется конденсаторами, последовательно включенными в каждый провод токопроводящего элемента антенны.
На фиг. приведена структурная схема антенны.
1
n
1
k
1
k
1
k
Передающая антенна может представлять собой электрический или магнитный диполь, выполненный в виде электрического кабеля 1 (фиг.) с длиной, ограниченной точками 2 и 3. Кабель 1 содержит k изолированных проводов и разделен по длине на n участков (A...A). В случае электрического диполя источник сигнала подключается к точке 2 лучей антенны, а точка 3 лучей «заземляется» (на фиг. показан только один луч) В случае магнитного диполя источник сигнала подключается к точкам 2 и 3 антенны. На каждом участке индуктивность L...L каждого провода кабеля скомпенсирована конденсаторами C...C. В рабочем режиме такой участок имеет чисто активное сопротивление R...R, состоящее из активного сопротивления самого провода кабеля и ограничивающего сопротивления, включенного, при необходимости, в каждый провод кабеля 1 (на схеме не показано).
Антенна работает следующим образом.
Выход источника сигнала подключается к точкам 2 и 3 лучей антенны (магнитный диполь), либо к точке 2 лучей антенны, а точка 3 лучей антенны заземляется (электрический диполь). Рабочий ток антенны протекает по k параллельным изолированным проводам антенного кабеля 1 через n участков, на которые разбита антенна. Величина тока в каждом проводе в k раз меньше выходного тока источника сигнала. Количество параллельных
проводов выбрано таким образом, чтобы ток в любом из них при максимально возможном выходном напряжении источника сигнала не превышал величины тока, соответствующего искробезопасному уровню, а суммарный ток, протекающий по всем проводам, обеспечивал уровень электромагнитного поля достаточный для выполнения задач связи или сигнализации.
1
1
k
1
k
1
Антенна разбивается по длине на участки (A...An) и индуктивное сопротивление (L...L) каждого провода каждого участка антенны компенсируется емкостным сопротивлением (C...C). Таким образом, каждый участок антенны и следовательно антенна в целом имеют активное сопротивление. Количество участков n выбирается таким образом, чтобы напряжение на любом из них с учетом величины паразитной емкости антенны относительно «земли» (на фиг. не показана) не превышало уровня «искробезопсного напряжения». Поскольку все провода кабеля антенны включены параллельно, общее сопротивление антенны достаточно мало и примерно равно [R×n/k], что позволяет применить источник сигнала с небольшим выходным напряжением.
Кроме того, учитывая, что при повреждении антенны не происходит одновременного обрыва всех проводов, следовательно, запасенная энергия магнитного поля в антенне будет при этом уменьшаться постепенно с обрывом каждого следующего провода, а энергия, высвобождаемая при обрыве одного провода, не будет превышать искробезопасный уровень.
При таком построении антенна, представляя собой «искробезопасную цепь», может иметь значительную (≥10 км) протяженность и способна излучать большую (до единиц киловатт) мощность.
В рабочем режиме антенны и при любом возможном ее повреждении (обрыве, коротком замыкании между жилами или замыкании жил на «землю») ток, накопленная энергия, и напряжение на антенне соответствуют требованиям по искробезопасности цепи.
Это позволяет применить данную антенну в условиях взрывоопасных по газу и пыли, в том числе в подземных условиях угольных шахт, в отличие от прототипа, в котором изолированный провод или одножильный кабель либо не обеспечивает «искробезопасную цепь», либо не обеспечивает необходимый уровень сигнала.
Данная конструкция искробезопасной передающей антенны шахтной системы беспроводной связи прошла, успешные испытания и планируется к внедрению.