ВСПЛЫВАЮЩЕЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относиться к области радиотехники, а именно к всплывающим информационным устройствам для связи подводных объектов.
В настоящее время передача информации с подводных объектов осуществляется путем выпуска устройств связи (буев или буксируемых антенных устройств) только в ультракоротковолновом и дециметровом (УКВ-ДЦВ) диапазоне.
Подобные устройства обеспечивают передачу информации только в пределах прямой видимости (~100 км) или спутник. Подводный объект может находиться на расстояниях, составляющих несколько тысяч километров. Связь на таких дальностях может быть обеспечена как правило с помощью радиоволн коротковолнового (KB) диапазона. Передача на спутник не всегда возможна и может отсутствовать в чрезвычайных условиях.
Известна заявка на изобретения США №2009/0107386 где речь идет о выпускаемой с подводной лодки (ПЛ) антенны для связи через спутник, в патенте США №5517202 дается описание буксируемой антенны УКВ диапазона, в патенте США №4774510 описана кабельная антенна средневолнового диапазона, а в патенте РФ на ПМ №99902 изложена комбинированная антенна, обеспечивающая связь с ПЛ в средневолновом и крайне низкочастотном диапазонах волн.
Недостатком этих устройств является отсутствие возможности обеспечить прямую передачу информации с ПЛ корреспондентами, находящимися на дальних расстояниях, а также сравнительно большие массогабаритные характеристики, не позволяющие разместить их в ограниченном объеме всплывающего устройства (ВИУ).
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является всплывающее информационное устройство с пневматическим антенным устройством со спиральной антенной, которое описано в патенте РФ на ПМ №69483 от 29.12.2007 г. Устройство состоит из: водонепроницаемого корпуса, антенны, радиопередающего устройства, блока питания.
Недостатком прототипа является невозможность работы в коротковолновом (KB) диапазоне вследствие низкой эффективности антенны в этом диапазоне, а также большие габариты антенны в развернутом состоянии, что является демаскирующим фактором и снижает устойчивость на волне в условиях ветровых нагрузок.
Целью полезной модели является расширение диапазона частот в низкочастотной области и уменьшение массогабаритных характеристик информационного устройства.
Поставленная цель достигается тем, что во всплывающем информационном устройстве, содержащим водонепроницаемый корпус, передающую антенну, радиопередающее устройство, блок питания, передающая антенна выполнена в виде прямоугольной рамки, одна сторона которой полностью помещена в радиопоглощающую оболочку, а поглощающая оболочка выполнена из полых капсул со стенками из диэлектрического материала, содержащих электропроводную жидкость, например подсоленную воду с антифризом и проводимостью σ>4 Сим/м.
Антенна, предлагаемая в прототипе, может работать только в УКВ диапазоне. Из-за сравнительно высокого входного импеданса, в ней невозможно увеличить ток для повышения мощности излучения необходимой в КВ. диапазоне. Рамочная антенна имеет значительно меньшее входное сопротивление, в силу чего в ней можно получить существенно больший ток, достаточный для получения необходимой мощности в КВ. диапазоне. Кроме того, распределение тока в рамочной антенне является по форме равномерным, что увеличивает мощность излучения по сравнению с вибратором такого-же размера.
Для повышения эффективности антенны прототипа в KB диапазоне ее размеры необходимо увеличить в несколько раз, что совершенно недопустимо с точки зрения скрытности. Кроме того, это увеличивает массу всего выпускного устройства. Предлагаемая рамочная антенна не требует развертывания в надводном положении, и соответственно отпадает необходимость в соответствующих устройствах, необходимых для развертывания.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства. Она содержит:
1 - водонепроницаемый корпус;
2 - антенну;
3 - радиопередающее устройство;
4 - блок питания.
На фиг. 2 приведена блок-схема передающей антенны. Она содержит:
5 - рамку;
6 - поглощающую оболочку.
Устройство работает следующим образом. Вес элементов 3 и 4 обеспечивает вертикальное положение ВИУ в воде. После выпуска над поверхностью моря оказывается радиопрозрачная часть всплывающего информационного устройства с антенной. Высота ≈0,3 м. Поглотитель, окружающий одну сторону рамочной антенны полностью поглощает энергию, излучаемую этой стороной рамки, поскольку в KB диапазоне толщина скин-слоя в жидкости с σ>4 Сим/м составляет ~1 см. использование поглотителя в виде капсул размером ~1 см со стенками из диэлектрического материала (пластик, стекло) исключает протекание сквозного тока.
Таким образом, исключается противофазное излучение одной стороны рамки 5. Поэтому вторая (свободная) сторона рамки 5 работает как вибратор, т.е. значительно эффективнее рамки. При этом сохраняются полезные свойства рамки 5: возможность создания больших токов и небольшие размеры. Такая антенна имеет следующие характеристики: габариты 10-15×25-30 см, диапазон 2-30 МГц. При высоте антенны 0,3 м и частоте 30 МГц наибольшее напряжение, развиваемое на элементах антенны 42 В, излучаемая мощность 5,7 Вт.
Оценим основные параметры антенны на длине волны, соответствующей KB диапазону, и сравним результаты с параметрами вибраторной антенны(штыря). Для определенности будем ориентироваться на величину излучаемой мощности приблизительно равную 5 Вт.
Входное сопротивление штыря будет определяться сопротивлением излучения, которое можно вычислить по формуле
,
где
e
l - эффективная высота антенны, равная геометрической длине при равномерном распределении тока для коротких антенн,
λ - длина электромагнитной волны в воздухе,
w
k - коэффициент, определяемый свойствами среды и распределением тока.
w
e
0
При наличии высокопроводящего подстилающего слоя и равномерном распределении тока k≈160 (Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М., «Энергия», 1975). Пусть длина волны составляет λ=10 м. При высоте антенны l=2 м эффективная длина равна l=1 м из-за треугольного распределения тока. Поэтому на частоте f=30 МГц активное входное сопротивление составляет 15,8 Ом.
Емкость штыря можно рассчитать по формуле
,
где d - диаметр провода штыря. При диаметре провода d=10 мм емкость будет равна 8 пФ. Добротность антенны оценим по формуле
m
0
2
Из-за небольшой емкости добротность антенны равна 40. Допустим, что напряжение на антенне не превышает U=380 В. Тогда с учетом добротности получим входное напряжение U=9,5 В. Поэтому без учета потерь в подстилающей поверхности и самом штыре, получим мощность излучения U/R≈5,7 Вт. Полоса частот составит ΔF=f/Q=0,75 МГц. Таким образом, для получения установленной мощности необходимо иметь антенну высотой 2 м, что недопустимо по соображениям радиолокационной скрытности.
Рассмотрим предлагаемую антенну. Важными свойствами электрически малой рамки являются небольшое полное сопротивление и равномерное распределение тока. На фиг. 2. при отсутствии оболочки интегрирование по контуру рамки приводит почти к полной компенсации полей, создаваемых противоположными сторонами рамки 5. Остаточное поле излучения существует благодаря пространственному разносу этих элементов, создающему фазовый сдвиг волн, препятствующий полной компенсации. Этим объясняется очень сильная зависимость (четвертого порядка) мощности излучения от длины плеча рамки.
Оболочка 6 поглощает поле, покрытого оболочкой элемента рамки. В первом приближении можно принять, что расположенные горизонтально стороны рамки не создают поле излучения. Остается один излучающий элемент - вертикальная сторона рамки, не покрытая оболочкой. Очевидно, мощность излучения полученной антенны можно вычислить, используя формулу для вертикального вибратора с равномерным распределением тока
,
o
где М=I·l - электрический момент,
o
I - ток антенны.
В рамочной антенне l=0,3 м. Собственное сопротивление провода можно рассчитать, используя приближенное выражение
,
о
где r - радиус провода,
П - периметр рамки,
ρ - удельное сопротивление проводника,
s
λ - толщина скин-слоя:
o
s
i
i
вх
-8
Для проводника с радиусом электрода r=5 мм из алюминия, имеющего удельное сопротивление ρ=2,7·10 Ом·м, собственное сопротивление R≈0,05 Ом на частоте 30 МГц. Сопротивление излучения составляет R≈1,4 Ом. Сопротивление потерь в поглощающей оболочке примем равным сопротивлению излучения вертикального провода рамки R. Поэтому входное сопротивление будет равно R≈2,9 Ом.
Индуктивность рамки можно оценить по формуле для индуктивности двухпроводной линии
,
o
-7
где µ=4π·10 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума. Подставив числовые значения параметров, получим для b=50 мм, L≈0,1 мкГн. Здесь принято, что основной вклад в индуктивность при высоте антенны, большей ее ширины (l>b) вносят вертикальные стороны рамки. Для достижения резонанса на заданной частоте потребуется конденсатор емкостью
Наибольшее напряжение, развиваемое на элементах антенны, можно рассчитать по формуле
m
o
вх
U=IRQ,
,
m
При высоте антенны 0,3 м и токе 2 А максимальное напряжение U≈42 В, что значительно меньше напряжения, создаваемого на элементах обычного вертикального вибратора. Добротность равна 7,3. Поэтому входное напряжение составит 5,8 В. Излучаемая мощность при этом будет равна 5,7 Вт. Полоса частот будет равна 4 МГц. Расчет проводился в предположении, что оболочка эквивалентна сопротивлению потерь, равному сопротивлению излучения вертикальной стороны рамки. Эффективная (действующая) высота излучающего вибратора рамки при равномерном токе в рамке равна высоте рамки.
Благодаря искусственно введенным потерям мощности и запасу по мощности излучения полоса частот рассматриваемой антенны превышает полосу частот. Следует отметить, что увеличить полосу частот вибратора высотой 2 м таким же путем сложнее, так как его сопротивление излучения значительно выше. Чтобы уменьшить добротность, необходимо увеличить сопротивление потерь, сделав его сравнимым с сопротивлением излучения. Это потребует значительно большего напряжения передатчика для сохранения необходимого тока в антенне.
По сравнению с прототипом размеры всплывающего информационного устройства в рабочем состоянии уменьшаются более чем в 5 раз. Электрические параметры антенны позволяют работать в KB диапазоне. Увеличивается скрытность всплывающего информационного устройства, расширяется диапазон частот в низкочастотной области.