ПЕРЕДАЮЩИЙ КОМПЛЕКС СВЯЗИ КРАЙНЕНИЗКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА
TRANSMITTING COMMUNICATION COMPLEX OF ULTRA-LOW FREQUENCY RANGE

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к технике связи крайненизкочастотного диапазона, и может быть использовано для передачи сигналов на глубокопогруженные и удаленные объекты.
Известна «Система связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами», патент РФ №2444766 от 20.03.2012 г.
Известен «Передающий комплекс связи сверхнизкочастотного и крайненизкочастотного диапазонов с глубокопогруженными и удаленными объектами», патент РФ №2653110 от 07.05.2018 г.
К общим недостаткам известных систем и комплексов связи крайненизкочастотного (КНЧ) диапазона с глубокопогруженными и удаленными объектами могут быть отнесены следующие: - относительно низкая надежность, т.к. выход из строя одного из элементов радиопередающего тракта приводит к выходу из строя всего комплекса; - чрезвычайно большие габариты радиотехнических элементов тракта (конденсаторов, катушек индуктивностей) из-за большой проходящей по тракту мощности; - чрезвычайно большие размеры антенно-фидерных устройств.
Целью изобретения является повышение надежности комплекса связи КНЧ диапазона, снижение габаритов радиотехнических элементов тракта, снижение размеров антенн.
Поставленная цель достигается тем, что передающий комплекс связи крайненизкочастотного диапазона содержит центральный пульт управления с микропроцессором и 200 ключевых усилителей, каждый из которых нагружен на отдельный излучающий элемент, при этом ток на выходе каждого ключевого усилителя равен одной двухсотой величине тока, необходимого для создания требуемой напряженности электромагнитного поля передающим комплексом.
На Фиг. 1 условно изображен возможный вариант размещения предлагаемого передающего комплекса связи, где ЦПУ - центральный пульт управления, КУ - ключевые усилители и ИЭ - излучающие элементы. Изображены также двусторонние связи ЦПУ с ключевыми усилителями.
Работа передающего комплекса осуществляется следующим образом.
В основу работы предложенного передающего комплекса положен известный способ возбуждения электромагнитных волн (Способ возбуждения электромагнитных волн, Патент РФ №2622620 от 16.06.2017).
Этот способ состоит в том, что каждый период гармонического колебания разбивается на N импульсов прямоугольной формы одинаковой амплитуды, сумма которых воспроизводит гармонический сигнал (В.Ф. Дмитриков, Н.Б. Петяшин, М.А. Сиверс. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний. - Москва: Радио и связь, 1988, стр. 20-21. В.Л. Муравченко, А.Н. Балахонов «Электросвязь» №3, 2014. Ключевое формирование гармонического сигнала, стр. 3-4), причем, каждый импульс формируется одним из N активных элементов, работающих в ключевом режиме, при этом каждый активный элемент нагружен на один из N пассивных излучающих элементов. В этом случае «не требуется поддержания соответствия геометрических размеров излучателей длине волны рабочей частоты» (вышеуказанный Патент №2622620).
5
На Фиг. 2 графически представлен способ формирования гармонического сигнала суммой прямоугольных импульсов. Рекомендуемая величина N равная 200 определена из условия обеспечения уровня высших гармоник не более -68 дБ, что в большинстве случаев удовлетворяет требованиям электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств на объекте. Максимальные расстояния между ключевыми усилителями должно быть много меньше минимальной длины волны рабочего диапазона соответствующей максимальной частоте. Это позволяет минимизировать фазовые отклонения между векторами магнитной индукции, возбуждаемыми излучателями ключевых усилителей. При максимальной частоте 10 Гц минимальная длина волны равна 30000 км. Таким образом, максимальное расстояние между максимально удаленными друг от друга ключевыми усилителями и излучающими элементами не должно превышать 300 км. В этом случае сдвиг фаз между максимально удаленными усилителями  Т=0,1 с, с - скорость света 3⋅10 км/с.
max
-2
Отсюда видно, что сдвиг фаз Δϕ=2π⋅10=0,0628 пренебрежимо мал.
Минимальное расстояние между ключевыми усилителями будет определяться их конструктивными особенностями и может составлять несколько десятков метров, что соответствует еще меньшим значениям Δϕ.
n
С центрального пульта управления на входящий в него микропроцессор поступает информация о требуемой рабочей частоте, классе излучения, оцифрованное информационное сообщение, предназначенное для передачи в эфир, и время начала работы. В соответствии полученными данными микропроцессор решает задачу определения времени включения и выключения каждого из двухсот ключевого усилителя. Для этого, с учетом заданной частоты и соответственно периода колебаний Т, рассчитывается длительность импульса t для каждого n-го из двухсот (N=200) ключевых усилителей по формуле:
n1
n2
Время включения t и выключения t каждого ключевого усилителя отсчитывается от начала to каждого периода гармонического колебания и рассчитываются по формулам:
Команда о времени включения либо выключения в цифровой форме в виде кодовой комбинации, содержащей цифровой адрес ключевого усилителя, поступает на шины управления ключевыми усилителями, на входах которых стоят цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). При совпадении кодовой комбинации срабатывает исполнительный элемент включающий, либо выключающий, в соответствии с пришедшей командой, n-й усилитель. От каждого ключевого усилителя по шинам управления в ЦПУ передается информация об их исправности.
X
В качестве излучающего элемента каждого ключевого усилителя в комплексе должна быть использована антенна, имеющая малое сопротивление для обеспечения максимального тока в антенне при открытом ключевом усилителе. С учетом этого требования предложена петля из хорошо проводящего материала (например, меди), имеющая также малое реактивное сопротивление R=ωL, с учетом низких значений частоты со и величины индуктивности L в диапазоне КНЧ при одной петле в антенне. Предложенный излучатель - петля с током должен обеспечить возбуждение магнитного поля, величина напряженности которого существенным образом зависит от величины проходящего по нему тока. На Фиг. 3 схематически представлен излучающий элемент. На Фиг. 1 условно показаны силовые линии возбуждаемого витками излучателей магнитного поля. Реальные габариты всех элементов комплекса зависят от конкретных требований, предъявляемых к передающему комплексу по всем его параметрам.
Напряженность возбуждаемого магнитного поля одним витком n-ого излучателя может быть рассчитана по формуле:  где: I - ток в одном витке; r - радиус витка; h - расстояние от витка, отмеренное в направлении перпендикулярном к плоскости витка. (Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. - Москва: Наука, 1965, стр. 399).
В результате возбуждения всех двухсот излучающих элементов в пространстве, окружающем передающий комплекс, возникнет суммарное магнитное поле. Напряженность этого поля будет изменяться по гармоническому закону, в соответствии с изменением длительности импульсов тока на выходах ключевых усилителей. В соответствии с изменением магнитного поля изменяется и сопряженное с ним электрическое поле.
Использование двухсот ключевых усилителей позволяет при выходе из строя одного из них продолжить работу передающего комплекса с несущественно пониженной мощностью, что улучшает его характеристики по надежности относительно известных существующих в настоящее время комплексов.
Таким образом, предложенный передающий комплекс связи крайненизкочастотного диапазона 0,1-10 Гц с глубокопогруженными и удаленными объектами позволяет повысить надежность функционирования такого комплекса, а также снизить габариты используемой элементной базы и излучающих устройств.