МОБИЛЬНЫЙ ПЕРЕДАЮЩИЙ КОМПЛЕКС НЧ ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в мобильных перебазируемых передающих центрах для работы на сверхдлинных (СДВ), длинных (ДВ) и средних (СВ) волнах.
Большое внимание в современной технике уделяется созданию мобильных передающих комплексов с так называемыми тросовыми антеннами, т.е. аэростатными антеннами, в которых в качестве излучателя используют трос (кабель-трос), удерживающий аэростат на заданной высоте.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является подвижный комплекс передающих средств (ПКПС), описанный в статье «Быстроразвертываемый подвижный комплекс передающих средств низкочастотных диапазонов» В.И.Готовко, А.С.Дегтярев, В.М.Хрущев. Труды КГТУ. 2008 г №2-3. Радиоэлектроника, принятый за прототип.
Функциональная схема комплекса-прототипа представлена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1 - формирователь структур рабочих сигналов (ФСРС);
2 - усилитель мощности;
3 - устройство согласования;
4 - передающая антенна;
5 - пульт (блок) управления;
6 - устройство контроля параметров передающей антенны (УКППА);
9 - радиопередающее устройство.
Комплекс-прототип содержит последовательно соединенные ФСРС 1, усилитель мощности 2, устройство согласования 3 и передающую антенну 4, выход и второй вход которой соединены соответственно со входом и вторым выходом УКППА 6, первый выход которого соединен со вторым входом устройства согласования 3; первый выход пульта управления 5 соединен с входом ФСРС 1, а второй выход - со вторым входом усилителя мощности 2.
При этом ФСРС 1, усилитель мощности 2, устройство согласования 3 и пульт управления 5 входят в состав радиопередающего устройства 9. В качестве передающей антенны 4 в прототипе рассмотрены различные варианты тросовых антенн.
При подаче управляющих сигналов с пульта управления 5, ФСРС 1 формирует сигнал нужной структуры, который усиливается блоком 2 и подается через устройство согласования 3 на передающую антенну 4, параметры которой контролируются блоком 6.
Недостатком прототипа является отсутствие адаптации к изменению температуры окружающей среды и ветрового напора.
Решаемая техническая задача заключается в оптимизации конструкции передающей антенны и в оптимизации управления током возбуждения передающей антенны (мощностью на выходе передающего устройства) в соответствии с реальными метеоусловиями при эксплуатации комплекса.
Достигаемый технический результат - увеличение мощности излучения передающего комплекса при фиксированном объеме аэростата в условиях изменения температуры окружающей среды и увеличения ветрового напора.
Технический результат достигается за счет того, что в мобильный передающий комплекс НЧ диапазона, содержащий последовательно соединенные формирователь структур рабочих сигналов (ФСРС), усилитель мощности, устройство согласования и передающую антенну, в качестве излучателя в которой используется кабель-трос, поддерживаемый в вертикальном положении малообъемным аэростатом, выход и второй вход передающей антенны соединены соответственно с входом и вторым выходом устройства контроля параметров передающей антенны, первый выход которого соединен со вторым входом устройства согласования; кроме того, содержащий блок управления, первый выход которого соединен с входом ФСРС, а второй выход - со вторым входом усилителя мощности, согласно полезной модели, дополнительно введены датчик температуры окружающей среды и датчик скорости ветра, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления, выполненного с возможностью формирования сигналов управления величиной тока возбуждения передающей антенны в соответствии с изменениями температуры окружающей среды и ветрового напора, при этом, величина оптимального значения аэродинамического качества аэростата определена из условий ограничения по коронному разряду и тепловому балансу; проводящий слой кабеля-троса передающей антенны выполнен с изменяющейся по его длине погонной массой в соответствии с условием постоянства погонной мощности тепловыделения на всей его длине, при условии оптимального отношения массы проводящего слоя кабеля-троса к массе остальных элементов его конструкции.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами:
На фиг.2 представлена функциональная схема заявляемого мобильного передающего комплекса НЧ диапазона, где обозначено:
1 - формирователь структур рабочих сигналов (ФСРС);
2 - усилитель мощности;
3 - устройство согласования;
4 - передающая антенна;
5 - блок управления;
6 - устройство контроля параметров передающей антенны (УКППА);
7 - датчик температуры окружающей среды;
8 - датчик скорости ветра;
9 - радиопередающее устройство;
На фиг.3 представлена схема подключения передающей антенны, где обозначено:
7 - датчик температуры окружающей среды;
8 - датчик скорости ветра;
9 - радиопередающее устройство;
11 - кабель-трос;
12 - аэростат.
Заявляемый мобильный передающий комплекс НЧ диапазона (фиг.2) содержит последовательно соединенные ФСРС 1, усилитель мощности 2, устройство согласования 3 и передающую антенну 4, выход и второй вход которой соединены соответственно со входом и вторым выходом УКППА 6, первый выход которого соединен со вторым входом устройства согласования 3; выход датчика температуры окружающей среды 7 соединен с первым входом блока управления 5, а выход датчика скорости ветра 8 соединен со вторым входом блока управления 5, первый выход которого соединен с входом ФСРС 1, а второй выход - со вторым входом усилителя мощности 2. При этом ФСРС 1, усилитель мощности 2, устройство согласования 3 и блок управления 5 входят в состав радиопередающего устройства 9.
В качестве передающей антенны 4 в заявляемом комплексе используется тросовая антенна, у которой в качестве излучателя используется кабелъ-трос 11 (см. фиг.3), верхний конец которого прикреплен к устройству для подъема кабеля-троса на требуемую высоту, в качестве которого используется малообъемный аэростат 12, а нижний конец кабеля-троса 11 прикреплен к лебедке (на чертеже не показано) и своей излучающей частью подключен к радиопередающему устройству 9.
При подаче управляющих сигналов с блока управления 5, ФСРС 1 формирует сигнал нужной структуры, который усиливается усилителем мощности 2 и подается через устройство согласования 3 на передающую антенну 4, параметры которой контролируются блоком 6.
Тросовая антенна представляет собой несимметричный вибратор длиной L≤λ/4, где λ - длина рабочей волны.
С достаточной точностью распределение тока по длине несимметричного вибратора можно считать треугольным:
где I(х) - ток в точке, отстоящей на Х метров от точки запитки;
0
I - ток в точке запитки;
Х - расстояние от точки запитки, имеет значения от 0 до L.
Отличительными особенностями тросовой антенны является малый диаметр и сравнительно невысокая теплостойкость. Как правило, диаметр кабеля-троса составляет несколько миллиметров, а допустимая рабочая температура - 85°C.
Достижимая мощность излучения ограничивается тремя факторами:
- предельно допустимой мощностью, выделяемой в проводящем слое антенны;
- возможностью возникновения коронного разряда;
- изменением формы антенны при ветровом напоре. Рассмотрим эти ограничения.
Условие теплового баланса при излучении сигнала имеет следующий вид:
где Р(х) - погонная мощность тепловыделения в точке X;
ρ - удельное сопротивление проводящего слоя;
S(x) - площадь сечения проводящего слоя;
м
γ - плотность проводящего слоя;
к
α - конвективный коэффициент теплоотдачи;
n
Т - температура проводящего слоя;
OC
Т - температура окружающей среды (воздуха);
d - диаметр проводника;
мп
m - погонная масса проводящего слоя в точке X.
опт
мп
опт
Оптимальные распределения S(x) - площади сечения проводящего слоя и m(х) - погонной массы проводящего слоя в точке X, при треугольном распределении тока имеют вид:
опт
0
,
2
S(x)=S(1-X/L)
0
где S - площадь сечения проводящего слоя при Х=0.
мпо
опт
мпо
2
m(х)=m(1-X/L),
мпо
где m - погонная масса проводящего слоя при Х=0.
Данное распределение обеспечивает одинаковое погонное тепловыделение и минимальную массу проводящего слоя антенны. Уменьшение массы проводящего слоя относительно равномерного распределения составляет три раза.
Мощность излучения при выполнении условия теплового баланса определяется по формуле:
∑
где R - сопротивление излучения;
λ - длина волны.
Максимально допустимое значение тока из условия теплового баланса (2):
∑
т.е. мощность излучения P пропорциональна массе проводящего слоя.
Оптимальное распределение эквивалентно увеличению массы проводящего слоя при равномерном распределении в 3 раза, что позволяет увеличить мощность излучения также в 3 раза.
Масса поднимаемого полезного груза (кабеля-троса) пропорциональна объему аэростата. При фиксированном объеме аэростата она также является фиксированной величиной. Масса кабеля-троса складывается из двух частей:
массы проводящего слоя, определяющего мощность излучения, и массы остальных элементов конструкции, обеспечивающих его прочность.
Очевидно, что при фиксированной массе кабеля-троса, величина излучаемой мощности зависит от отношения массы проводящего слоя к массе остальных элементов его конструкции (Ψ).
∑max
Максимально допустимая мощность излучения P с учетом ограничений по тепловому режиму и коронному разряду равна:
∑max
∑Tmax
∑Kmax
P≤min{Р, P}
∑Tmax
∑Kmax
где Р и P - максимально допустимые мощности по тепловому режиму и коронному разряду соответственно.
опт
Значение Ψ, при котором достигается максимальная мощность излучения и, в то же время, обеспечивается необходимая прочность кабеля-троса, является оптимальным (Ψ).
опт
Величина Ψ зависит от длины волны следующим образом:
опт
1
maх
1
max
Ψ≈1,07λ/λ-0,07 для λ/λ≥0,1
max
где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона;
1
λ - длина волны, на которой при Ψ=1 предельно допустимые по условиям теплового баланса и коронного разряда мощности излучения равны.
опт
Наименьшие изменения излучаемой мощности в диапазоне реализуются при выборе Ψ на нижней частоте диапазона.
n
В таблице 1 приведены значения мощностей излучения оптимизированного по Ψ варианта передающей антенны 4 и варианта с Ψ=1, обеспечивающего максимальную мощность, где λ - длина волны, на которой имеет место равенство максимально допустимых по тепловому балансу и коронному разряду мощностей излучения.
Таблица 1
<img file="00000006.tif" he="11" wi="10" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
1,88
3,2
5,75
8,52
Ψ<sub>опт</sub>
1
0,5
0,25
0,1
0,05
<img file="00000007.tif" he="11" wi="20" img-content="undefined" img-format="tif" />
1
3,16
6,94
11,1
13,1
Как видно из таблицы, выигрыш от оптимизации весьма существенный, уже при  он примерно равен 7.
Это достигается весьма небольшой потерей мощности верхних частотах.
При воздействии ветра на аэростат происходит отклонение кабеля-троса (вибратора) от вертикали. При этом уменьшается действующая высота антенны и, соответственно, мощность излучения.
Форма антенны (величина отклонения) и ее действующая высота, в основном, определяются аэродинамическим качеством аэростата (углом атаки):
X
Y
X
Y
где С, С - коэффициенты в формулах аэродинамических сил, воздействующих на аэростат (F, F);
- лобовое сопротивление;
- подъемная сила;
где  - ветровой (скоростной) напор,
v
- скорость ветра;
B
γ - плотность воздуха;
об
V - объем аэростата.
А
Таким образом, при фиксированном объеме аэростата, параметром, подлежащим оптимизации, является его аэродинамическое качество (К).
Рассмотрим возможность увеличения излучаемой мощности.
к
В соответствии с условием теплового баланса (2), мощность пропорциональна разности температур кабеля-троса и окружающей среды. Кроме того, она пропорциональна конвективному коэффициенту теплоотдачи α, который растет с увеличением ветрового напора. Таким образом, с увеличением разности температур (понижением температуры окружающей среды) и увеличением ветрового напора, величина тока возбуждения в передающей антенне 4, а значит, и мощность излучения могут быть увеличены.
Дополнительно, в состав передающего комплекса введены датчик температуры окружающей среды 7 и датчик скорости ветра 8, размещаемые вблизи передающей антенны 4 и связанные односторонними связями с блоком управления 5. При этом, по сигналам от датчиков 7 и 8 осуществляется управление выходным сигналом радиопередающего устройства 9 (величиной тока возбуждения передающей антенны 4) в зависимости от ветрового напора и температуры окружающей среды.
Это реализуется с помощью блока управления 5, выполненного с возможностью управлять величиной тока возбуждения передающей антенны 4 как некоторой функцией ветрового напора и температуры окружающей среды:
ОС
O
ОС
I(q, T)=IФ(q, T),
ОС
ОС
где I(q, T) - ток возбуждения при ветровом напоре q и температуре окружающей среды Т;
O
OC
OC
I - ток возбуждения при q=0 и Т=maxT;
OC
OC
Ф(q, Т) - функция управления током; Ф(0, maxТ)=1.
Расчеты, проведенные с учетом ветрового воздействия на аэростатную антенну, дали следующие результаты:
A ОПТ
- оптимальные значения аэродинамического качества К находятся около единицы для ограничения по коронному разряду и ~1,8 для ограничения по тепловому балансу;
- закон изменения тока возбуждения следующий:
При условии
ОС
ОС
где I(q, Т) - ток возбуждения при ветровом напоре q и Т;
0
ОС
ОС
I - ток возбуждения при q=0 и T=maxТ;
П
Т - температура проводящего слоя кабеля-троса;
ОС
Т - температура окружающей среды;
ОСmax
Т - максимальная температура окружающей среды;
к
α - конвективный коэффициент теплоотдачи.
0
0
Учитывая, что при q→∞ уменьшение мощности излучения составляет примерно два раза (из-за уменьшения действующей высоты антенны), целесообразно обеспечивать изменение тока возбуждения в диапазоне не более, чем от I до ~1,4I.
∑опт
опт
∑оптопт
Зависимость излучаемой мощности от ветрового напора приведена на фиг.4, где P - мощность излучения для кабеля-троса с оптимальными распределением проводящего слоя и отношением Ψ, а Р - то же, но с учетом управления током возбуждения антенны.
2
2
∑оптопт
∑опт
Как видно из графика, уже при значении q=0,5 н/м (что соответствует скорости ветра 1 м/сек) P превосходит P - Вероятность реализации условий, когда q≥0,5 н/м достаточно велика, поэтому излучаемая мощность полностью оптимизированного передающего устройства практически всегда превосходит мощность исходного варианта передатчика более, чем в два раза.
При реализации полезной модели получены следующие результаты:
- оптимальное распределение проводящего слоя кабеля-троса передающей антенны позволяет увеличить исходную мощность излучения в три раза;
- оптимизация отношения массы проводящего слоя кабеля-троса передающей антенны к массе остальных элементов кабеля-троса позволяет существенно расширить рабочий диапазон в сторону нижних частот, при этом выигрыш по излучаемой мощности на нижней границе достигает четырех и более раз;
- управление током возбуждения передающей антенны по климатическим условиям, при оптимальном аэродинамическом качестве аэростата, для любых конструкций кабеля-троса позволяет увеличить мощность излучения относительно исходной в два раза.
Блок управления 5 может быть реализован как в аналоговой, так и в цифровой форме, например, на микропроцессоре.
В качестве датчиков температуры окружающей среды 7 и скорости ветра 8 могут быть использованы любые современные средства для измерения температуры окружающей среды и скорости ветра.
Реализация остальных блоков, входящих в состав комплекса, не вызывает затруднений, т.к. они широко известны из технической литературы.