Оценка энергетических потерь коротковолновых радиолиний

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Из вышесказанного следует, что для формирования луча ДН достаточно оцифровывать входной сигнал с точностью до 6 бит квантования, при этом ошибка пеленгации меньше максимальной точности амплитудных методов пеленгации. Дальнейшее увеличение разрядности АЦП и цифрового умножителя приводит к увеличению точности определения угла прихода сигнала.

Проведенные в данной работе исследования показали, что ЦАР вносит заметную погрешность в определение угла прихода сигнала методом максимума и равносигнальным методом лишь при малом числе бит представления данных.

Таким образом, быстрое развитие вычислительной техники делает возможным переход антенной техники и радиотехники в целом на новый качественный уровень. Кроме того, развитие и удешевление элементной базы может значительно снизить стоимость подобных антенных систем, что позволяет надеяться на широкое распространение цифровых антенных решеток и использование их преимуществ.

Библиографический список.

1. Леонов, А.И. Моноимпульсная радиолокация [Текст] / А. И. Леонов, К. И. Фомичев — М.: Радио и связь, 1984. — 312 с.

2. Свиридов, Э.Ф. Сравнительная эффективность моноим-пульсных радиолокационных систем пеленгации [Текст]/

Э.Ф. Свиридов — СПб.: Судостроение, 1964. —116 с.

3. Слюсар, В. Цифровые антенные решетки — будущее радиолокации, [Текст] / В. Слюсар // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. — 2001. — № 3. — С. 42 — 47.

4. Кольчугин, И.Ю. Анализ вариантов построения цифрового диаграммообразующего устройства [Текст] / И. Ю. Кольчугин, Е.Н. Маслов // Вестник СОНИИР. - 2008. - № 2. - С. 62-67.

5. Активные фазированные антенные решетки [Текст] / Братчиков А.Н. [и др.]; под ред. Д.И. Воскресенского, А.И. Канащен-кова. - М.: Радиотехника, 2004. - 488 с.

БЕРЕЗОВСКИЙ Владимир Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского, директор Омского научно-исследовательского института приборостроения.

Адрес для переписки: e-mail: info@oniip.ru ЗОЛОТАРЁВ Илья Давыдович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского.

Адрес для переписки: e-mail: idzolotarev@navsystem.ru МИХАЙЛОВ Евгений Юрьевич,научный сотрудник Омского научно-исследовательского института приборостроения, аспирант кафедры экспериментальной физики и радиофизики Омского государственного университета им. Ф.М. Достоевского Адрес для переписки: e-mail: mihailovevgenyi@mail.ru

Статья поступила в редакцию 01.06.2010 г.

© В. А. Березовский, И. Д. Золотарёв, Е. Ю. Михайлов

УДК 621.371.55/621.396.7 В. С. БУДЯК

В. П. КИСМЕРЕШКИН А. А. ВОРФОЛОМЕЕВ, О. В. КАРАСЁВА

Омский научно-исследовательский институт приборостроения

Омский государственный технический университет

ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ КОРОТКОВОЛНОВЫХ РАДИОЛИНИЙ

Представлены результаты оценки энергетических потерь в коротковолновых радиолиниях, возникающих из-за несогласованности характеристик коротковолновых приемных и передающих антенн из состава приемопередающих радиоузлов с динамическими параметрами радиотрасс.

Ключевые слова: низкоэнергетические КВ системы радиосвязи, согласованность характеристик направленности КВ антенн с параметрами радиотрасс.

Разработка асимметричных коротковолновых (КВ) систем связи с подвижными корреспондентами как общегражданского назначения [1-2], так и предназначенных для организации специальной радиосвязи [3-4] является актуальной. В таких системах связи корреспондентские радиостанции (переносные или размещаемые на подвижном объекте), характеризующиеся низким энергетическим потенциалом (низкоэнергетические КВ системы радиосвязи), вза-

имодействуют с радиоузлами корпоративной системы связи, в состав которых входят комплексы приемных и передающих антенн повышенной эффективности [1-2]. В процессе проектирования таких систем связи необходима оценка степени согласованности пространственных параметров приемных и передающих антенных комплексов радиоузлов с динамическими параметрами КВ радиотрасс различной протяженности для реальных геофизических условий (ГФУ).

259

Расчетные данные по радиотрассерадиотехника и связь

Лето

Время суток час //., км М- фактор МГц Углы возвышения, град. Л , км М- фактор ЛоРЧ' МГц Углы возвышения, градус Лл, км М- фактор Аи'Ч' МГц Углы возвышения, градус

радио- луча, Лг бисс. ДН ант. радио- луча, Лг бисс. ДН ант. радио- луча, Лг бисс. ДН ант.

РГ АцЩ БС А РГ АцЩ БС ^ .№1 РГ А <!( ГГ) БС

2 300 3,00 9,69 12 25 17 300 3 14,53 12 16 13 310 2,95 10,53 12 21 15

4 300 3,00 7,65 12 31 19 320 2,9 15,77 13 15 12 280 3,15 9,90 11 24 16

6 260 3,35 11,39 10 21 15 380 2,55 15,17 16 15 13 250 3,4 10,11 9 24 16

8 320 2,90 13,55 13 17 14 420 2,4 15,50 18 15 12 240 3,5 23,8 8 9 9

10 360 2,65 13,51 15 17 14 420 2,4 15,3 18 15 13 230 2,6* 29,99* 15* 7 8

12 390 2,45 12,91 17 18 14 420 2,4 15,91 18 14 12 230 2,4* 29,99* 17* 7 8

14 360 2,65 14,41 15 16 13 420 2,4 14,89 18 16 13 230 2,4* 29,99* 17* 7 8

16 330 2,80 15,23 13 15 13 370 2,6 15,69 15 15 12 220 2,8* 29,99* 13* 7 8

18 270 3,20 17,95 11 13 11 330 2,8 17,37 13 13 12 210 3,75 27,09 7 8 8

20 270 3,20 17,68 11 13 11 270 3,2 20,4 11 11 10 250 3,4 17,05 9 13 12

22 290 3,10 13,17 12 18 14 280 3,15 20,08 11 11 11 270 3,2 13,6 11 17 14

24 300 3,00 10,71 12 22 16 280 3,15 17,40 11 13 12 310 2,95 11,28 12 21 15

Я£БЯЭ И УЯИНХЗЮИУУ<І

о юг (еб) £ оМ иинюэя иіяньаун ииюіліо

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Ьд,

км

Лето

Ьд,

км

500

400

300

200

100

Лето

Зима

¥2

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Часы

0 2 4 6 8 10 12 14 16

£

МГц

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

а)

Лето

б)

20 22 24 Часы

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Часы

Рис. 1. Суточные изменения действующих высот кд

Лето

¥2

¥1

\

£

МГц

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

¥2

\

¥1 \

£

МГц

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

Зима

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Часы

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Часы

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Часы

а)

б)

Рис. 2. Суточные изменения критических частот /

Цель работы — оценка энергетических потерь в КВ радиолиниях, возникающих из-за несогласованности характеристик направленности приемных и передающих КВ антенн из состава действующих приемопередающих радиоузлов (РУ) с динамическими параметрами радиотрасс различной протяженности в условиях реального суточного изменения ГФУ.

Особую актуальность такая оценка приобретает для трасс средней протяженности Б (1500 км < О < 3500 км), в которых диапазон изменения угла возвышения АТ траектории распространения излучаемого в направлении корреспондента или принимаемого от корреспондента радиосигнала сравним с шириной диаграммы направленности (ДН), используемых в составе действующих радиоузлов передающих (приемных) антенн типа РГ, РГД (БС, БС-2 и т. д.) [5 — 6]. В некоторых случаях это приводит к резкому снижению уровня излучаемого в направлении корреспондента или принимаемого от корреспондента радиосигнала и, соответственно, к снижению надежности связи.

Степень согласованности характеристик направленности передающей и приемной КВ антенн с динамическими параметрами радиотрассы для оптимального значения частоты можно оценить величиной коэффициента энергетических потерь радиолинии при передаче АэпГг и при приеме кэпКз радиосигнала соответственно:

кэп тг = 1-Сат

кэп * = 1-Са

где Са(Гг)(Аг)-значение нормированного коэффициента направленного действия передающей антенны на оптимальной радиочастоте (ОРЧ) в направлении угла возвышения АТ траектории распространения излучаемого в направлении корреспондента радиосигнала;

Са(&) (Аг) — нормированный коэффициент направленного действия приемной антенны на ОРЧ в направлении угла возвышения АТ траектории распространения принимаемого от корреспондента радиосигнала.

Значение ОРЧ /орчИ для трассы протяженностью О при распространении радиолуча с отражением от слоя Р2 ионосферы определяется выражением [5]

/рчк2 =

где /крГ 2 = 4(К 2 ) • 80,8 — значение критической частоты для определенных параметров ГФУ,

^,(Лга) — величина электронной концентрации отражающего слоя Р2,

кР2 — высота размещения отражающего слоя Р2, ф—угол падения радиолуча на нижнюю границу ионосферы.

Д, град Лето

а

<я

Д, град Лето

Дат

а

Д, град Зима

. Ду

Ратг)

а) б)

Рис. 3. Суточные изменения углов возвышения Ат , Аа(гу), Аа(^

>

На рис. 1а, б, в показаны графики реального изменения в течение суток:

— значений действующих высот ЛдР1 и Лдр2 размещения отражающих слоев Р1 и Р2 летом (рис. 1а) для среднего уровня солнечной активности (число Вольфа Ш«50) [7];

— значений действующих высот ЛдР1, ЛдР2 размещения отражающих слоев Р1, Р2 соответственно на средних широтах летом (рис. 1б) и Лдр2 слоя Р2 зимой (рис. 1в) для высокого уровня солнечной активности (число Вольфа Ш «180) [5].

На рис. 2а, б, в показаны графики соответствующего изменения значений критических частот обыкновенной волны:

—/рР1 и/крР2 для среднего уровня солнечной активности летом (рис. 2а);

—/крР1 и/крР2 для высокого уровня солнечной активности на средних широтах летом (рис. 2б) и/крР2 зимой (рис. 2в).

Из выражения (3) и определения/,рР2 следует, что для трассы фиксированной протяженности О при увеличении значения/^ (а следовательно, при увеличении значения /орчР2) значение угла падения радиолуча на нижнюю границу ионосферы ф должно изменяться (т.е. уменьшаться) пропорционально увеличению значения высоты Л, на которой размеща-

ется отражающий слой Р2 с необходимым для отражения сигнала (для рассматриваемого случая — увеличенным) значением электронной концентрации слоя N (Лр,).

Используя в качестве исходных данных приведенные на рис. 1а, б, в и рис. 2а, б, в значения/крР2 и ЛдР2, были проведены вычисления по оценке степени сог-

65

ласованности характеристик передающей РГ~ 1,0

21 4,5

(Я0 = 18 м) и приемной БС — 200 17 антенн с динамическими параметрами радиотрассы протяженностью 2000 км. Расчетные данные по данной радиотрассе приведены в табл. 1.

В табл. 1 знаком «*» отмечены величины М-фактора, рабочих частот /орч2000 = 30 МГц и значения углов возвышения АТ, принятые с учетом того, что для высокого значения параметра Ш в зимний период величина /мпч2000 превышает значение 30 МГц.

Динамика изменения углов возвышения АТ радиолуча в течение суток для летних и зимних условий распространения показана сплошными линиями на рис. 3а, б, в соответственно. Значения углов возвышения АТ были получены с использованием кривых передачи и номограммы определения углов [6] для

ґ.час

і.час

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

*

G„,

---9МГц

---12МГц

---15МГц

— 18МГц

— 21МГц

— 24МГц

— -27МГц

— -30МГц

в, градус

Рис. 5. Значения нормированных ДН в угломестной плоскости GaR) антенны БС ~ ^0q 17

21 4,5

Лето

а) б)

Рис. 6. Суточные изменения коэффициента энергетических потерь кэпТг и k3nRs

ГФУ, определенных на рис. 1а, б, в и рис. 2а, б, в. Величина коэффициента М (М-фактора) определяется по кривой передачи и высотно-частотной характеристике как величина KS -sec j0 в точке, где значение частоты f= _/кр (KS — поправочный коэффициент, учитывающий сферичность отражающего слоя и глубину проникновения радиолуча в отражающий слой).

На рис. 3а, б, в также изображены кривые изменения угла возвышения биссектрис ДН D а m — переда-

65

ющей антенны типа РГ~ 1,0 (Я0 =18 м) и Da(Rs) — прием-21 4,5

ной антенны типа БС — —— 17 для оптимальных зна-8 200

чений рабочих частот.

На рис. 4 и 5 представлены нормированные относительно максимальных значений в диапазоне рабочих частот 9...30 МГц графики изменения диаграммы направленности в угломестной плоскости антенн

65 4

21 4,5

РГ~ 1,0 (Л]=18м)-Са(щ и БСу 200 17-Ga(R) Аля зна'

чений углов возвышения в= (0°...45°) [8]. При этом предполагалось, что величина модуля коэффициента Френеля |К±| =1, а фаза Ф±=180°.

На рис. 6а, б, в показаны суточные изменения значений коэффициентов энергетических потерь кэпГг и кэпК , рассчитанные в соответствии с выражениями (1), (2) и результатами расчета, представленными в табл. 1 для случаев приема сигнала от корреспондента и передачи сигнала корреспонденту.

В результате анализа графиков суточного изменения величин А„ А ,, А ,—рис. 3а, б, в и соот-

Т а (Гг)' а (К) ~ ’ '

ветствующих им графиков изменения коэффициента энергетических потерь кэп — рис. 6а, б, в можно сделать следующие выводы:

— для используемых типов передающей и приемной антенн на интервале времени 2.6 часов в зимний период с высоким значением Ш (рис. 3в и 6в) динамика изменения необходимого угла возвышения радиолуча АТ и изменений углов возвышений биссектрис ДН передающей Аа (Гг) и приемной Аа антенн

носит расходящийся характер, что приводит к потере энергетического потенциала радиолинии из-за антенн

к

ЭП

t. час

t. час

t. час

при передаче от 50 % (1=2 часа) до 73 % ^=6 часов) и от 27 % (t = 2 часа) до 47 % (1 = 6 часов) при приеме; в период времени от 10 до 12 часов для этих ГФУ связь с корреспондентом будет отсутствовать (потеря энергетического потенциала радиолинии для приема и передачи составляет величину «100 %);

— в летний период с высоким значением Ш (рис. 3б и 6б) используемые типоразмеры передающей и приемной антенн на всем интервале времени суток обеспечивают лучшее согласование с параметрами радиотрассы по сравнению с зимним периодом, которое характеризуется потерей энергетического потенциала радиолинии из-за антенн при передаче от 24 % ^ = 2 часа) до полной согласованности (t = 20 часов) и от 18 % ^ = 4 часа) до 38 % (t = 12 часов) при приеме;

— в летний период, характеризующийся средним значением Ш (рис. 3а и 6а), динамика изменения необходимого угла возвышения радиолуча АТ и изменений углов возвышений биссектрис ДН передающей Аа (Гг) и приемной Аа ю антенн носит еще более выраженный расходящийся характер по сравнению со случаем, показанным на рис. 3в и 6в соответственно, что приводит к потере энергетического потенциала радиолинии из-за антенн при передаче от 68 % ^=2 часа) до 82 % ^ = 4 часа) и от 33 % ^=2 часа) до 45 % ^ = 4 часа) при приеме.

С целью уменьшения величины расхождения параметров радиотрассы и пространственного положения биссектрисы ДН была разработана и прошла натурные испытания модифицированная антенна бегущей волны, характеризующаяся постоянством значения угла возвышения биссектрисы ДН в широком диапазоне рабочих частот [9]. Дальнейшее повышение энергетической эффективности КВ систем связи может быть достигнуто в результате применения антенных систем с управляемым положением диаграммы направленности в пространстве [10].

Библиографический список

1. Головин, О.В. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи [Текст] / О.В. Головин, С. П. Простов.—М.: Горячая линия — Телеком, 2006. — 598 с.

2. Хазан, В. Л. Система декаметровой мобильной автоматической радиосвязи «МАРС» [Текст] / В. Л. Хазан // Техника радиосвязи / Омский НИИ приборостроения, — 1998. — Вып. 4. — С. 59 — 66.

3. Соколов, В.В. Теоретические основы построения систем передачи дискретной информации [Текст] / В.В. Соколов, М.И. Пелехатый. — М.: Изд-во Министерства обороны СССР, 1979. — 308 с.

4. Хмырова, Н.П. Вклад ОНИИП в создание аппаратурных комплексов ДКМ помехозащищенных радиолиний связи ВМФ [Текст] / Н.П. Хмырова // Техника радиосвязи / Омский НИИ приборостроения. — 2008. — Вып. 13. — С. 25 — 32.

5. Черный, Ф.Б. Распространение радиоволн [Текст] / Ф.Б. Черный. — М. : Советское радио, 1962. — 480 с.

6. Калинин, А.И. Распространение радиоволн и работа радиолиний [Текст] / А. И. Калинин, Е. Л. Черенкова. — М. : Связь, 1971. — 440 с.

7. High-Frequency Radio Transmission Conditions, August, 1941, with Predictions for November, 1941 // Proceedings of the I.R.E. — 1941. — September. — Pp. 521 —523.

8. Айзенберг, Г.З. Коротковолновые антенны [Текст] / Г.З. Айзенберг. — М.: Связьиздат, 1962. — 816 с.

9. Кисмерешкин, В.П. Диапазонная однопроводная антенна бегущей волны [Текст] / В.П. Кисмерешкин, В.С. Будяк, Г.Н. Лобова и др. // Радиотехника. — 1996. — №3. — С. 40 — 42.

10. Пат. 72105 Российская Федерация, МПК Н 04 В 1/00. Приемный радиоцентр [Текст] / Будяк В.С., Кисмерешкин В.П., Горяев П.В. и др. — Опубл. 27.03.08, Бюл. № 9.

БУДЯК Владимир Серафимович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГУП «Омский НИИ приборостроения».

КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Омского государственного технического университета.

ВОРФОЛОМЕЕВ Артем Александрович, инженер-конструктор 2-й категории ФГУП «Омский НИИ приборостроения».

КАРАСЁВА Ольга Владимировна, инженер-конструктор 2-й категории ФГУП «Омский НИИ приборостроения».

Адрес для переписки: e-mail: info@oniip.ru

Статья поступила в редакцию 31.03.2010 г.

© В. С. Будяк, В. П. Кисмерешкин, А. А. Ворфоломеев,

О. В. Карасёва

Книжная полка

621.396

Семёнов, И. И. Современные системы информационных каналов связи [Текст]: учеб. пособие / И. И. Семёнов, И. В. Богачков; ОмГТУ.-Омск: Изд-во ОмГТУ, 2009.-134 с.: рис., табл.-Библиогр.: с. 134.-18Б1Ч 978-5-81490798-1.

Изложен и систематизирован материал, касающийся современных систем информационных каналов связи, включающий радиолинии различных диапазонов волн — от сверхнизких до ультракоротковолновых. Показаны пути построения и перспективы их развития на основе использования в каналах многопозиционных сверх-широкополосных сигналов.

621.39/К93

Курицын, С. А. Телекоммуникационные технологии и системы [Текст]: учеб. пособие для вузов по направлению подгот. «Радиотехника» по специальности «Радиофизика и электроника» / С. А. Курицын.-М.: Академия, 2008.-298, [1] с.: рис.-(Высшее профессиональное образование).-Библиогр.: с. 295.-18Б1Ч 978-5-7695-2999-3.

Рассмотрены принципы организации телекоммуникационных технологий, построение систем, сетей и каналов связи. Изложены вопросы формирования, передачи и обработки сигналов в аналоговых и цифровых системах передачи.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ