МАЛОГАБАРИТНЫЙ ЛОКОМОТИВНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ГЕКТОМЕТРОВЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к антенной технике и предназначена для работы в составе локомотивных радиостанций, работающих в сетях поездной радиосвязи на железнодорожном транспорте и имеющих приемопередатчик диапазона гектометровых волн (ГМВ) с входным сопротивлением 50 Ом, а также парк антенно-согласующих устройств емкостного типа.
Известна горизонтальная П-образная антенна ГМВ для средств связи на железнодорожном транспорте, описанная в книге В.А. Кривопишина и А.А. Халикова «Станционная и поездная радиосвязь», Ташкент, Изд-во «Янги аср авлоди», 2007, с. 129, рис. 3.21,б. Антенна представляет собой горизонтальный проводник длиной 7-9 м, подвешенный на высоте 0,6-1 м над металлической токопроводящей крышей локомотива параллельно его продольной оси. Один из концов проводника гальванически заземлен на корпус локомотива, в связи с чем при возбуждении проводника на противоположном конце его входное сопротивление на частотах 2,13-2,15 МГц состоит из активной составляющей 1,5-14 Ом и индуктивности 9-24 мкГн. Именно эти параметры долгое время использовались отечественными разработчиками при проектировании широкой номенклатуры антенно-согласующих устройств (АнСУ) емкостного типа, обеспечивающих согласование локомотивной антенны с коаксиальным трактом 50 Ом при ее подключении к радиостанции. Сравнительно малая добротность антенны позволяет согласовать ее в полосе частот около 20 кГц по критерию коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН), равного 2. При этом на центральной частоте диапазона, когда КСВН минимален, антенна за счет больших габаритов имеет сравнительно высокую эффективность излучения, оцениваемую по уровню принимаемого сигнала или по коэффициенту усиления. Недостатками такой антенны являются ее габариты (в частности, длина антенны не позволяет разместить ее на маневровых локомотивах) и нестабильность ее электрических параметров, обусловленная слабой защищенностью узлов антенны от внешних воздействий.
Известна малогабаритная коротковолновая антенна по патенту RU 2499335 C1, длина и высота которой составляют 2,01 м и 0,5-0,9 м, соответственно. Излучающая спираль антенны является унифилярной, а полоса ее рабочих частот расширена с 20 кГц до 27 кГц за счет снижения добротности. Недостатками такой антенны являются сниженная эффективность (от –4 до –3 дБ) относительно горизонтальной П-образной антенны, обусловленная в том числе снижением добротности; невозможность согласования антенны с 50-омным кабелем и ее настройки на требуемую частоту при помощи существующих АнСУ емкостного типа, поскольку для этого используется встроенная в антенну неперестраиваемая согласующая цепь, а перестройка рабочей частоты антенны возможна только за счет регулировки высоты опорных стоек. В связи с этим без доступа к антенне невозможно как переключение между частотами 2,13 МГц и 2,15 МГц, так и подстройка антенны при изменении окружающих условий либо при уходе параметров элементов согласующей цепи от номинальных значений.
Наиболее близкой к полезной модели является малогабаритная локомотивная антенна гектометрового диапазона волн по патенту RU 136647 U1. Антенна длиной 3,05 м и высотой 0,41 м согласуется и настраивается при помощи специализированного автоматического АнСУ, подключаемого к одному концу антенны, вблизи которого также расположен дроссель гальванического заземления. Излучающая спираль антенны является унифилярной, и ее противоположный конец изолирован. Эффективность излучения антенны составляет от −1 до 0 дБ относительно горизонтальной П-образной антенны. Недостатками антенны являются сравнительно большая длина, препятствующая размещению антенны на маневровых локомотивах, и невозможность использования для настройки антенны существующих АнСУ емкостного типа.
Задачей полезной модели являются уменьшение длины излучателя ГМВ до 2,3 м при сохранении эффективности излучения на уровне от 0 до +1 дБ относительно горизонтальной П-образной антенны, а также обеспечение возможности настройки и согласования излучателя при помощи существующих АнСУ емкостного типа.
Указанная задача решается в малогабаритном локомотивном излучателе гектометровых волн, содержащем настроечную индуктивность и цилиндрическую излучающую спираль, намотанную на диэлектрический каркас, помещенный в радиопрозрачный кожух и установленный параллельно токопроводящей крыше на двух опорных стойках, при этом спираль со стороны ввода энергии имеет гальванический контакт с клеммой настроечной индуктивности и с проводником возбуждения, а на противоположном конце изолирована, вторая клемма индуктивности гальванически заземлена, а проводник возбуждения проходит внутри диэлектрической стойки через отверстие в крыше локомотива и подключен к клемме антенно-согласующего устройства емкостного типа, вторая клемма которого также гальванически заземлена.
Согласно полезной модели излучающая спираль является бифилярной и состоит из двух обмоток, расположенных на диэлектрическом каркасе так, что витки одной обмотки уложены между витками другой без плотного прилегания друг к другу, при этом обмотки имеют гальванический контакт друг с другом со стороны ввода энергии и изолированы на противоположном конце.
Технический результат заключается в повышенной эффективности излучателя, обусловленной тем, что протекающие по обмоткам спирали токи высокой частоты направлены в одну сторону, а порождаемые ими магнитные поля складываются синфазно, приводя к увеличению напряженности магнитного поля излучателя. Это позволяет сократить длину излучателя, поскольку падение эффективности вследствие сокращения длины излучателя компенсируется ее ростом вследствие увеличения добротности излучателя. При этом значения активного и реактивного сопротивлений излучателя при соответствующем подборе длины каркаса, расстояния до токопроводящей крыши, номинала настроечной индуктивности, длины проводников спиральных обмоток и количества витков в них на частотах 2,13-2,15 МГц близки к упомянутым выше для горизонтальной П-образной антенны, что обеспечивает возможность настройки и согласования излучателя при помощи существующих АнСУ емкостного типа.
Настроечная индуктивность может быть намотана на каркасе за пределами излучающей спирали, или расположена внутри опорной стойки излучателя, или может быть выполнена в виде отдельного узла и расположена на крыше или под крышей локомотива вблизи опорной стойки излучателя.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1-4 схематично показан малогабаритный локомотивный излучатель гектометровых волн согласно полезной модели; в соответствии с различными вариантами расположения настроечной индуктивности.
Малогабаритный локомотивный излучатель ГМВ содержит настроечную индуктивность 1, бифилярную цилиндрическую излучающую спираль с обмотками 2 и 3, диэлектрический каркас 4, установленный параллельно металлической токопроводящей крыше 5 локомотива на опорных стойках 6 и 7, проводник 8 возбуждения, антенно-согласующее устройство 9 с коаксиальным входом и герметичный радиопрозрачный кожух 10. Спираль с обмотками 2 и 3 со стороны ввода энергии имеет гальванический контакт с клеммой настроечной индуктивности 1 и с проводником 8 возбуждения, а на противоположном конце изолирована. Вторая клемма настроечной индуктивности 1 гальванически заземлена, а проводник 8 возбуждения проходит внутри диэлектрической стойки 6 через отверстие в крыше 5 локомотива и подключен к клемме антенно-согласующего устройства 9 емкостного типа, вторая клемма которого также гальванически заземлена. Обмотки 2 и 3 расположены на диэлектрическом каркасе 4 так, что витки одной обмотки уложены между витками другой без плотного прилегания друг к другу, при этом обмотки имеют гальванический контакт друг с другом со стороны ввода энергии и изолированы на противоположном конце. Настроечная индуктивность 1 может быть намотана на каркасе за пределами излучающей спирали, как показано на фиг. 1, или выполнена в виде отдельного узла и расположена на крыше 5 локомотива вблизи опорной стойки 6 излучателя, как показано на фиг. 2, или выполнена в виде отдельного узла и расположена под крышей 5 локомотива вблизи опорной стойки 6 излучателя, как показано на фиг. 4, или может располагаться внутри опорной стойки 6 излучателя.
Принцип работы излучателя состоит в следующем. Источник электродвижущей силы высокой частоты (2,13-2,15 МГц) одной клеммой заземлен на токопроводящую крышу 5, а второй потенциальной клеммой через проводник возбуждения 8 подключен одновременно к настроечной индуктивности 1 и к обмоткам 2 и 3 излучающей спирали. Тогда высокочастотные токи, создающие поле излучения, протекают по обмоткам 2 и 3, при этом на поверхности близкорасположенной токопроводящей крыши 5 посредством электромагнитной индукции наводятся зеркальные токи, противоположные по направлению токам в обмотках. Излучатель может быть согласован с кабелем 50 Ом и без настроечной индуктивности 1, однако при этом его импеданс будет отличаться от целевого (3-6 Ом, 15-22 мкГн), что повлечет за собой необходимость синтеза специальной согласующей цепи и будет противоречить задаче полезной модели. Именно поэтому применяется индуктивность 1, называемая настроечной в связи с тем, что ее номинал определяет резонансную частоту излучателя при использовании емкостных АнСУ. При этом отношение длины проводника любой из обмоток излучающей спирали к длине прямолинейного проводника, которым можно заменить настроечную индуктивность 1, составляет 3:7-4:7. Это в определенной степени соответствует способу согласования и повышения эффективности полуволнового излучающего проводника за счет сдвига точки возбуждения в сторону его изолированного конца на величину около 30-40% длины проводника, предложенному Loren G. Windom (Ротхаммель К., Антенны, Том 1, М, ДМК Пресс, 2007, с. 172-178).
Поскольку отсутствие гальванического заземления излучателя неприемлемо из-за несоответствия нормам электробезопасности на ЖД транспорте и повышенной восприимчивости излучателя к электромагнитным помехам, оно реализуется посредством заземления изолированной (свободной) клеммы настроечной индуктивности 1. Опытным путем установлено, что характеристики излучателя при этом практически не меняются. При этом за счет подбора длины каркаса излучателя, номинала настроечной индуктивности, длины проводников спиральных обмоток и количества витков в них на частотах 2,13-2,15 МГц активное сопротивление излучателя составляет 3-6 Ом, а реактивное сопротивление соответствует индуктивности 15-22 мкГн, что позволяет использовать для его согласования АнСУ емкостного типа из уже существующей номенклатуры устройств, используемых на ЖД транспорте совместно с горизонтальными П-образными антеннами.
Таким образом, в полезной модели используется новый способ увеличения эффективности излучателя ГМВ: унифилярная спираль длинной излучающей части заменена на бифилярную с параллельной намоткой проводников, концы которых с одной стороны гальванически соединены друг с другом, с настроечной индуктивностью и с проводником возбуждения, а с другой стороны - разомкнуты. При этом протекающие по обмоткам спирали токи высокой частоты направлены в одну сторону, а порождаемые ими магнитные поля складываются синфазно, приводя к увеличению напряженности магнитного поля (по сравнению с унифилярной спиралью) и возрастанию эффективности излучателя. Опытным путем установлено, что при переходе от настроенного излучателя с унифилярной спиралью и настроечной индуктивностью к излучателю с бифилярной спиралью необходимо уменьшить длину проводников в обмотках спирали и увеличить индуктивность настроечного элемента, что в итоге приводит к сокращению длины самого излучателя с 2,5 м до 2,3 м. При этом сохраняется настройка и положение минимума КСВН, а падение эффективности вследствие сокращения длины излучателя компенсируется ее ростом вследствие увеличения добротности излучателя, и в итоге эффективность составляет от 0 до +1 дБ относительно горизонтальной П-образной антенны.
Проведенные испытания подтвердили возможность достижения указанного технического результата при использовании антенны согласно полезной модели. Так, был изготовлен опытный образец малогабаритного локомотивного излучателя согласно полезной модели, его длина и высота составили 2,3 и 0,5 м, соответственно. Измерения КСВН излучателя с использованием поверенного анализатора цепей «Agilent ENA E5061B» подтвердили возможность настройки излучателя посредством существующих емкостных АнСУ с достижением КСВН=1,02 на частотах гектометрового диапазона. Измерения эффективности излучения антенны (в совокупности с АнСУ) проводились в условиях, приближенных к рабочим, с использованием локомотивной радиостанции РВС-1, приемника П4-17, автоматизированного рабочего места на базе персонального компьютера (МИКРАД), и показали достижимость эффективности от 0 до +1 дБ относительно горизонтальной П-образной антенны-эталона.