Особенности использования вертикальной и горизонтальной поляризаций при организации поездной радиосвязи гектометрового диапазона

На участке Иркутск-Пассажирский - Петровский Завод сложный рельеф, включающий в себя затяжные подъемы, спуски, кривые большого радиуса и тоннели. Но исходя из полученных данных, связь не прерывалась и не занижалась даже в тоннелях, что позволяет предположить о качественности сигнала на всей сети российских железных дорог, где есть сеть мобильных операторов. С учетом современных тенденций можно рассчитывать на расширение зоны покрытия на север.

Стоит также отметить, что разрабатываемое программное обеспечение для контроля узлов подвижного состава позволяет накапливать данные. В случае отсутствия сотовой сети в текущий момент времени данные буферизируются во внутренней памяти устройства и при появлении достаточного уровня мощности сети для передачи данных вся накопленная информация последовательно отправляется, это позволит избежать участков, где данных о подвижном составе не будет.

Таким образом, качество сотовой сети на данном участке является удовлетворительным для передачи

оперативной информации, следовательно, внедрение системы мониторинга подвижного состава с использованием канала мобильной связи возможно и является оптимальным вариантом, так как не несет экономических затрат на организацию собственной сети (такой как, например, GSM-R). Внедрение системы мониторинга подвижного состава по ходу движения является актуальным, технологичным и экономически целесообразным действием в сфере обеспечения безопасности движения поездов и организации процесса перевозок.

На следующем этапе разработки системы планируется определить узлы подвижного состава, которые необходимо контролировать непрерывно по времени, оценить границы исследуемых параметров и выбрать необходимые датчики, а также подобрать микроконтроллер, позволяющий наиболее рационально собирать информацию с этих датчиков. Важными вопросами являются подбор системы энергоснабжения системы и организация антиварварской защиты аппаратуры на грузовых вагонах.

Библиографический список

1. Ваванов Ю.В., Васильев О.К., Тропкин С.И. Станционная и поездная радиосвязь: учебник для техникумов ж.-д. транспорта; утв. Гл. управл. уч. завед. МПС. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1979. 287 с.

2. Кондратьева Л. А. Устройства железнодорожной автоматики и телемеханики. (общий курс): учебник для техникумов ж.-д. транспорта. М.: Транспорт, 1983. 232 с.

3. Королькова Е.Б., Зубкова Д.А., Чернов И.Н. Мониторинг основных узлов грузового вагона с применением каналов сотовой связи // Современные проблемы радиоэлектроники

и связи. Иркутск, 2011. 5 с.

4. Проект по созданию системы контроля для высокоскоростного поезда. -http://isagraf.ru/zarubezhnie-proekti/proekt-po-sozdaniiu-sistemi-kontrolya-dlya-visokoskorostnogo-poezda

5. Mitrac 100 Driven by Realiability. -http ://www.bomba rdier.com/content/dam/ Websites/bombardiercom/supporting-documents/BT/Bombardier-Transportation-MITRAC-1000.pdf //Зарубежная система контроля высокоскоростного подвижного состава

УДК 621.396.67

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ И ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЙ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ПОЕЗДНОЙ РАДИОСВЯЗИ ГЕКТОМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

© В.Е. Унучков1, Н.П. Шустов2

Иркутский государственный университет путей сообщения,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.

Рассматриваются вопросы организации поездной радиосвязи гектометрового диапазона с применением стационарных антенн. Отмечены особенности, из-за которых использование антенн не получило широкого распространения. Проведены исследования помеховой обстановки в различных условиях, выявлено, что вблизи железнодорожного полотна наибольшую интенсивность имеют горизонтально поляризованные помехи. Для улучшения качества радиосвязи авторами предлагаются новые стационарная и возимая антенны, позволяющие улучшить энергетику радиоканала по сравнению с антеннами, используемыми в настоящее время.

Ил. 5. Табл. 2. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: поездная радиосвязь; антенны; поляризация радиоволн.

1Унучков Владимир Евгеньевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры телекоммуникационных систем, e-mail: Unu@irgups.ru

Unuchkov Vladimir, Candidate of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor of the Department of Telecommunications Systems, e-mail: Unu@irgups.ru

2Шустов Николай Павлович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры телекоммуникационных систем, тел.: 89025761344, e-mail: ShuNick@irgups.ru

Shustov Nikolai, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Telecommunications Systems, tel.: 89025761344, e-mail: ShuNick@irgups.ru

FEATURES OF USING VERTICAL AND HORIZONTAL POLARIZATION IN MEDIUM FREQUENCY TRAIN RADIO SYSTEMS

V.E. Unuchkov, N.P. Shustov

Irkutsk State University of Railway Engineering,

15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article treats the problems of organizing medium frequency train radio communication with the use of stationary antennas. It indicates the features preventing the wide spread of antennas. Having studied the environment interference in different conditions, it was found that the horizontally polarized interference is the most intensive near the railroad bed. To improve the quality of radio communication the authors propose to use a new stationary antenna and a transportable one. The last will enhance the radio channel energetic as compared with the currently used antennas.

5 figures. 2 tables. 4 sources.

Key words: radio train communication; antennas; wave polarization.

Постановка задачи. Системы поездной радиосвязи (ПРС) гектометрового диапазона волн (ГМВ f=2,13 и 2,15 МГц, Л=141 м) эксплуатируются уже более полувека. В течение этого времени ПРС ГМВ постоянно совершенствовались, например, с началом электрификации для передачи радиосигналов стали

ношения: 1Т = 0,252-0,5Н , где, /г - длина горизонтальной части антенны, H - длина снижения антенны [3,4]. Диаграммы направленности (ДН), полученные в программе моделирования антенн Мтапа, показаны на рис. 1.

Рис. 1. Диаграммы направленности Г-образной стационарной антенны.

Сплошной линией показана ДН для вертикальной, а пунктирной - для горизонтальной поляризаций

использоваться направляющие линии (НЛ), расположенные вблизи железнодорожного полотна. Таким способом была решена задача увеличения дальности ПРС в условиях существенного роста уровня радиопомех в диапазоне ГМВ, но появились новые проблемы, связанные с эксплуатацией и обслуживанием НЛ. Текущее состояние направляющих линий, трудности их оперативной диагностики, проблемы своевременного устранения отказов - все это сказывается на качестве работы ПРС и уменьшает ее надежность. Кроме того, НЛ находятся в зоне действия интенсивных помех со стороны высоковольтных линий электроснабжения и автоблокировки, подвешенных параллельно НЛ и являющихся источниками помех горизонтальной поляризации.

Несмотря на существующие недостатки, отказаться от использования ГМВ для организации ПРС пока невозможно по экономическим причинам. В работе поставлена задача исследования вертикальной и горизонтальной поляризаций при организации поездной радиосвязи гектометрового диапазона волн.

Состояние проблемы. В качестве стационарных антенн ПРС используются Г-образные антенны, геометрические размеры которых определяются из соот-

Из полученных диаграмм видно, что данная антенна в основном излучает сигналы с вертикальной поляризацией. Это объясняется близостью земли и малой величиной горизонтальной части антенны. При её увеличении до 35 метров (около Л/4) антенна начинает примерно с одинаковой эффективностью излучать радиоволны как горизонтальной, так и вертикальной поляризаций. Для вертикальной поляризации коэффициент усиления ^А) в максимуме ДН составляет 0,4+1,9 дБи, причем минимальное значение соответствует направлению, куда протянута горизонтальная часть антенны. Таким образом, неравномерность излучения антенны в горизонтальной плоскости может достигать 1,5 дБ, что необходимо учитывать при проектировании ПРС, хотя о наличии данного эффекта не сказано в нормативных документах [3].

В качестве возимой ГМВ антенны в основном используется П-образная заземленная антенна, которая представляет собой отрезок провода длиной 7,5+12 м, подвешенного над крышей локомотива на высоте 0,6+1 м. Одно из снижений антенны подключают к антенно-согласующему устройству, а другое соединяют с металлической крышей локомотива (рис. 2). На рис. 3 показаны диаграммы направленности локомотивной антенны.

Как видно из рис. 3, такая локомотивная антенна может принимать сигналы с горизонтальной поляризацией от направляющих линий и сигналы с вертикальной поляризацией от стационарных Г-образных антенн. Стоит отметить, что коэффициент усиления этой антенны очень мал и в случае приема сигналов от НЛ составляет всего GА=-18 дБи. Для вертикальной поляризации коэффициент усиления в максимуме ДН составляет 1,1+1,9 дБи, максимальное значение соответствует заземленному концу антенны.

Для количественной оценки и сравнения помехо-вых сигналов вертикальной и горизонтальной поляризаций выполнена измерительная антенна в виде симметричного вибратора, длина которого 1,1 м или 0,008Л. Симметрирование антенны реализовано с использованием трансформатора. В процессе тестовой эксплуатации измерительной системы было решено улучшить избирательность измерительной системы, для этого на вход приемника подключен входной полосовой фильтр, настроенный на частоту 2,13 МГц. В

Локомотивная антенна

Крыта локомотива

шшш. У-У/у............. .

АнСУ РС

Рис. 2. П-образная локомотивная антенна

Рис. 3. Диаграммы направленности локомотивной антенны. Сплошной линией показана ДН для вертикальной, а пунктирной - для горизонтальной поляризаций

Из краткого обзора антенн, применяемых в системах ПРС, можно сделать вывод, что есть некоторая несогласованность возимых и стационарных антенн: локомотивная П-образная антенна лучше работает с волнами вертикальной поляризации, хотя почти на всей сети железных дорог наибольшее распространение получило использование НЛ, излучающих горизонтально поляризованное поле. Кроме того, возимые антенны имеют протяженную горизонтальную часть, поэтому хорошо восприимчивы к помехам, создаваемым высоковольтными линиями. Стационарные Г-образные антенны излучают как вертикально, так и горизонтально поляризованное поле, но имеют сравнительно низкий коэффициент усиления. Эти антенны также восприимчивы к помехам, возникающим в линиях продольного электроснабжения.

Результаты измерений уровня помех. Организация радиосвязи ГМВ с использованием антенн получила распространение только в качестве станционных систем связи и на некоторых участках с автономной тягой [2, 4]. В основном системы ГМВ используются с применением НЛ. Однако из-за близости НЛ и линий продольного электроснабжения, высоковольтных линий автоблокировки уровень горизонтально поляризованных помех превосходит уровень помех с вертикальной составляющей поля.

качестве приемника использован анализатор электромагнитного поля АКС-1201.

Был измерен уровень радиопомех вертикальной и горизонтальной поляризаций в разных условиях: вблизи железнодорожных путей на различных высотах над уровнем железнодорожного полотна и в городских

условиях. табл. 1.

Результаты измерений

представлены в Таблица 1

Условия измерения Высота установки измери- тельной антенны, м Средний уровень помехового сигнала, дБмВ

Ориентация измерительной антенны

вертикальная горизонталь- ная

Городские 1,5 -60 -54

14 -50 -44

Вблизи железнодорожного полотна 1,5 -46 -44

2,5 -48 -42

Как видно из табл. 1, в условиях городской застройки уровень радиопомех горизонтальной поляризации превосходит уровень помех вертикальной поля-

ризации примерно на 6 дБ. Стоит отметить, что в таблице представлены усредненные данные, а в некоторых случаях значения горизонтальной составляющей поля превосходили значения вертикальной составляющей на 10+12 дБ. В условиях городской застройки такой эффект можно объяснить большим числом горизонтально расположенных проводов сетей электропитания, в том числе и высоковольтных, которые работают на промышленной частоте 50 Гц, но несмотря на это все равно являются источниками помех на частоте ~2 МГц. В условиях железнодорожного транспорта результаты измерений отличаются от городских, так же как и для городских условий горизонтальная составляющая помехи превосходит вертикальную, но теперь всего на 2+3 дБ. Однако при подъеме измерительной антенны над уровнем железнодорожного полотна на 1 м (до 2,5 м) разница между горизонтальной и вертикальной составляющими увеличивается до

6 дБ.

Можно сделать следующий вывод. Как и ожидалось, уровень горизонтальной составляющей помехи вблизи объектов железнодорожного транспорта превышает уровень вертикальной и в среднем это превышение составляет около 3 дБ. Особенно это сказывается при поднятии измерительной антенны над уровнем железнодорожного полотна. Стоит отметить, что из-за технических ограничений не было проведено измерений вблизи проводов электроснабжения, но мы ожидаем, что результаты, полученные там, также будут подтверждать вывод, сделанный выше.

Организация поездной радиосвязи с использованием антенн. Рассмотрим возможность организации ПРС ГМВ с использованием антенн, излучающих и принимающих сигналы с вертикальной поляризацией. Отказ от использования НЛ в пользу использования антенн должен сопровождаться улучшением

энергетики как стационарных, так и возимых антенн.

Определим требования, которым должна соответствовать стационарная антенна: необходимо получить максимальный коэффициент усиления, антенна должна излучать вертикально поляризованные волны, ее горизонтальная часть должна располагаться перпендикулярно источникам помех, а согласование антенны не должно вызывать трудности. Особенно стоит отметить требования к ДН антенн ПРС, которые в отличие от антенн станционной радиосвязи с круговой диаграммой направленности должны иметь вытянутую ДН с максимумами, совпадающими с направлением железнодорожного полотна.

Таким требованиям соответствует П-образная антенна, горизонтальная часть которой ориентирована перпендикулярно железнодорожному полотну (рис. 4).

Рис. 4. Вид П-образной антенны с распределением токов

Коэффициент усиления антенны лежит в пределах 2,5+5 дБи. Основные параметры антенны в зависимости от размеров представлены в табл. 2. На рис. 5 показаны диаграммы направленности П-образной антенны. Увеличение высоты антенны до 23 м и больше

Рис. 5. Диаграммы направленности стационарной П-образной антенны.

Сплошной линией показана ДН для вертикальной, а пунктирной - для горизонтальной поляризаций

Таблица 2

Высота снижения, м Горизонтальная часть, м Ку, дБи Ширина ДН по уровню -3дБ КСВ50 КСВ75

16 42 3,5 106° 1,07 1,61

15,5 52 4,2 82о 1,03 1,46

13,5 62 4,8 63о 1,01 1,48

12 68 4,9 5 о 1,03 1,46

10,2 74 4,6 4 о 1,04 1,44

приводит к смене поляризации волн, излучаемых антенной, с вертикальной на горизонтальную. При увеличении горизонтальной части антенны более 74 м, чтобы получить СА=4дБи и более, необходимо уменьшать высоту антенны, что приводит к уменьшению входного сопротивления антенны и усложняет ее согласование.

Отличительной особенностью антенны является то, что её конец заземлен, тем самым соблюдаются требования по электробезопасности обслуживающего персонала.

Рассчитаем энергетику ПРС с использованием предлагаемой стационарной антенны. Для этого воспользуемся известной формулой Шулейкина-Ван-дер-Поля:

10,9./РАвА Е = х А А Ш ,

I

где РА - мощность, подводимая к антенне в Вт; вА -коэффициент усиления антенны; I - расстояние в км до точки приёма; № - множитель ослабления, зависящий от расстояния и параметров почвы; Л - длина волны, м.

Примем для исходной Г-образной антенны СА=1,9 дБи, для антенны, предлагаемой нами, вА = 4,8 дБи. Тогда при постоянных значениях РА и I можно получить значение напряженности, в 1,4 раза (2,9 дБ) превышающее значение напряженности при использовании стандартных антенн.

Следующим этапом повышения энергетики канала является улучшение свойств возимых антенн. Существующая локомотивная антенна, как уже было отмечено выше, эффективнее работает с волнами вертикальной поляризации (СА=1,8 дБи), что согласуется с предложенной стационарной антенной, но при этом локомотивные антенны имеют относительно длинную горизонтальную часть (7+12 м). В дальнейшем планируется разработка низкопрофильной возимой антенны с вертикальной поляризацией. Проектируемая антенна располагается на подвижном составе, в ней минимизирована горизонтальная часть, что приводит к уменьшению уровня наведенных помех. Расположе-

ние антенны на железнодорожном транспорте определяет строгие требования к её размерам. Например, расположение антенны на крыше локомотива ограничивает её вертикальный размер до 1 м (расстояние между крышей локомотива и линиями электроснабжения). Создание ГМВ антенны с вертикальной поляризацией, имеющей размеры до 1 м, является сложной задачей, однако опыт создания низкопрофильных вертикальных антенн для других диапазонов приведен, например, в [1], где описана антенна с 1=0,007 А. Данная антенна представляет собой изогнутый меандром полосковый проводник, который расположен над экраном. Один конец этого проводника соединен с экраном, а источник возбуждения подключен на небольшом расстоянии от точки заземления. Для компенсации горизонтальных токов авторами [1] добавлен еще один изогнутый меандром полосковый проводник, который расположен симметрично первому относительно вертикальной плоскости. Такая конструкция существенно уменьшает направленное вверх излучение, благодаря этому возрастает вА антенны в направлении горизонта, но её габариты увеличиваются в горизонтальном направлении.

Заключение. Таким образом, нарушения ПРС ГМВ, возникающие из-за горизонтальных помех от высоковольтных линий продольного электроснабжения и автоблокировки, заставляют рассмотреть возможность отказа от НЛ и горизонтальной поляризации волн в пользу применения антенн вертикальной поляризации. Такие антенны по сравнению с существующими для повышения энергетики радиоканалов должны иметь более высокие значения вА с максимумами, ориентированными в нужных направлениях, а также минимально протяженные горизонтальные части вдоль источников помех. Этим требованиям удовлетворяет стационарная антенна, описанная в работе, а также возимая антенна из [1]. Расчеты показывают, что в отдельных случаях использование антенн позволит отказаться от НЛ, что упростит обслуживание и сократит расходы по эксплуатации устройств поездной радиосвязи.

Библиографический список

1. Афанасьев П.О. Ненаправленные низкопрофильные ан-

тенны с вертикальной поляризацией [Электронный ресурс] / П.О. Афанасьев, М. Б. Мануилов, В. А. Следков // Материалы IV Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь». ИРЭ РАН, 29 ноября-3 декабря 2010. С.585-595. Режим доступа:

http://jre.cplire.ru/win/library/4conf/docs/pdffiles/a19.pdf

2. Борзенко Н.П. Повышение качества поездной радиосвязи

// Автоматика, связь, информатика. 2007. №8. С.18-21.

3. Правила организации и расчета сетей поездной радиосвязи ОАО «Российские железные дороги»: утв. первым вицепрезидентом ОАО «Российские железные дороги» Х.Ш. Забировым 26.08.2004. М.: ТРАНСИЗДАТ, 2005. 112 с.

4. Роенков Д.Н. Антенны диапазона гектометровых волн // Автоматика, связь, информатика. 2011. №5. С.16-19.