Антенны, применяемые в сетях ПРС диапазона ГМВ

Стационарные антенны. На железнодорожном транспорте наибольшее распространение получили два вида стационарных антенн диапазона ГМВ — Г-образная антенна и возбуждающий провод (индуктивная антенна), передающий энергию в направляющую линию индуктивным способом. Во втором случае связь с локомотивами осуществляется не электромагнитными полями излучения, а электромагнитными полями индукции, распространяющимися по направляющим линиям с меньшим затуханием, чем при излучении. В качестве направляющей линии может использоваться как отдельно подвешиваемый волновод (одно- или двухпроводный), так и уже существующие линии передачи (включая линии электропередачи, в том числе высоковольтные). Для передачи энергии в направляющую линию на сравнительно небольшом расстоянии от нее подвешивается отрезок одно- или двухпроводной возбуждающей линии, соединяемой с выходом радиостанции через антенно-согласующее устройство (АнСУ). На рис. 7.1 приведены схемы индуктивного возбуждения соответственно однопроводной и двухпроводной направляющей линии. Преимуществом индуктивного способа передачи энергии является то, что между проводами направляющей линии 2 и возбуждающей 1 отсутствует гальваническая связь, благодаря чему в качестве направляющих линий могут использоваться и высоковольтные. Длина возбуждающего провода / выбирается равной 40— 42 м. Расстояние между возбуждающим проводом и направляющей линией в зависимости от вида направляющей линии должно лежать в пределах от 0,25 до 0,8 м.

Сравнение эффективности применения Г-образной и индуктивной антенн в линейных сетях поездной радиосвязи (рис. 7.2) показывает, что при равных характеристиках приемопередатчиков уровень сигнала на входе возимой радиостанции при применении индуктивной антенны и направляющей линии (кривая 1) на 2—6 дБ больше, чем при применении Г-образной антенны (кривая 2).

Рис. 7.1. Схемы индуктивного возбуждения однопроводной (а) и двухпроводной (б) направляющей линии

Рис. 7.2. Графики зависимости уровня сигнала на входе приемника локомотивной радиостанции от расстояния:

I — при использовании индуктивной антенны и направляющей линии; 2— при использовании стационарной Г-образной антенны

В то же время, в зонных сетях поездной радиосвязи незаменимой оказывается именно Г-образная антенна, имеющая диаграмму направленности, близкую к круговой. Сигнал от направляющей линии имеет достаточный для качественного приема уровень лишь на расстоянии до 25—30 метров от этой линии. А на крупной железнодорожной станции расстояние между направляющей линией и антенной возимой радиостанции может оказаться значительно большим (100 м и более).

Г-образная антенна представляет собой несимметричный вибратор, сделанный из провода сечением не менее 10 мм2. Провод согнут под углом 90° и имеет две части — горизонтальную, называемую крышей антенны, и вертикальную, называемую снижением. Снижение подключают к антенно-согласующему устройству, а свободный конец крыши — изолируют. Основное излучение Г-образ- ной антенны создает снижение. Излучение крыши из-за влияния Земли, являющейся для диапазона ГМВ хорошим проводником, можно не учитывать. Это связано с тем, что токи горизонтальной части антенны и ее зеркального отображения имеют одинаковые амплитуды, но направлены в разные стороны. Создаваемые этими токами в точке приема поля взаимно компенсируются. Основной функцией горизонтального провода Г-образной антенны является увеличение действующей высоты антенны при неизменной физической высоте (рис. 7.3). Благодаря наличию крыши (см. рис. 7.3, б) амплитуда тока, увеличивающаяся от конца вибратора к генератору, в снижении имеет существенно большие значения, чем у вибратора, не имеющего крыши (см. рис. 7.3, а).

Геометрические размеры Г-образной антенны определяются из соотношения:

где /г — длина крыши антенны;

Н — высота снижения антенны;

А — длина волны.

При расчете по данной формуле длина провода антенны оказывается на половину высоты снижения больше четверти длины волны. Это делается для того, чтобы максимум (пучность) тока приходился на середину снижения, и тем самым обеспечивались максимально возможные значения амплитуды тока вдоль всего снижения.

Несимметричный вибратор, которым является Г-образная антенна, в совокупности со своим зеркальным изображением образует симметричный вибратор. Поэтому диаграмма направленности несимметричного вибратора над идеально проводящей землей представляет собой верхнюю половину диаграммы направленности симметричного вибратора (рис. 7.4, слева). Однако на практике в реальных условиях влияние Земли несколько искажает диаграмму направленности Г-образной антенны (рис. 7.4, справа). Из рис. 7.4, слева, видно, что

Рис. 7.3. Распределение тока в антеннах, имеющих одинаковую высоту: а — вертикальный вибратор без крыши; б — Г-образная антенна с крышей

Рис. 7.4. Диаграммы направленности Г-образной антенны: слева — в идеальных условиях; справа — в реальных условиях

в случае идеально проводящей Земли Г-образная антенна в горизонтальной плоскости направленностью не обладает, причем волны с горизонтальной поляризацией вообще не излучаются. В вертикальной плоскости максимум диаграммы направленности для волн с вертикальной поляризацией соответствует направлению вдоль поверхности Земли, для волн с горизонтальной поляризацией — направлению, перпендикулярному горизонтальной части антенны.

При переходе от идеально проводящей Земли к реальной излучение Г-образной антенны приобретает некоторую направленность. Уровень излучения волн с вертикальной поляризацией в направлении от снижения к изолированному концу крыши оказывается примерно на 2 дБ больше, чем в противоположном. В вертикальной плоскости угол максимального излучения вертикально поляризованных волн становится отличным от 90°, т.е. максимум излучения отклоняется от поверхности Земли. Причем, чем хуже проводимость Земли, тем дальше от ее поверхности направление максимального излучения.

Помимо Г-образных антенн некоторое время использовали Т- образные антенны, отличавшиеся от Г-образных тем, что снижение соединялось с крышей не на ее конце, а в середине. Однако для обеспечения одинаковых значений действующей высоты антенн длина крыши Т-образной антенны должна быть в 1,6— 1,9 раза больше, чем длина крыши Г-образной антенны. По этой причине сегодня Т-образные антенны не используют.

Возимые антенны. Из-за ограничений по высоте и длине антенны, располагаемой на крыше подвижного состава, ее размеры оказываются существенно меньше четверти длины волны (35 м). В результате антенна имеет очень низкий КПД (единицы процентов). До последнего времени в качестве возимой антенны ГМВ-диапазо- на практически использовалась только П-образная заземленная антенна (рис. 7.5), которая представляет собой отрезок провода длиной 7,5—12 м, подвешенный над крышей локомотива на высоте 0,6—1 м. Одно из снижений антенны (вертикальный конец провода) через проходной изолятор подключают к антенно-согласующему устройству АнСУ, а второе соединяют с металлической крышей локомотива (заземляют). Благодаря заземлению второго снижения обеспечивается электробезопасность обслуживающего персонала и машинистов как от наведенных на антенне напряжений, так и от высоких напряжений при случайном соприкосновении антенны с контактным проводом.

Рис. 7.5. П-образная заземленная локомотивная антенна

В настоящее время все большее применение находит антенна АМК-2В, представляющая собой несимметричный вибратор, намотанный в виде спирали на диэлектрическую трубу (рис. 7.6). Поскольку в качестве излучателя используется несимметричный вибратор в виде спирали, то антенна АМК-2В имеет круговую поляризацию, т.е. ее излучение имеет и вертикально и горизонтально поляризованные составляющие. Коэффициент стоячей волны антенны — не более 2,5. Волновое сопротивление — 50 Ом. Максимальная подводимая к антенне мощность 20 Вт. Длина антенны 2050 мм, высота над металлической поверхностью 0,55—0,9 м.

Излучатель 5 (см. рис. 7.6) с помощью высокочастотного кабеля 2 с одного конца подключен к радиостанции через согласующее устройство 4, второй конец излучателя не нагружен.

Настройка антенны производится изменением высоты излучателя над металлической поверхностью (крышей). При выборе оптимальной высоты излучатель фиксируется в диэлектрических держателях металлических стоек стопорными болтами.

Рис. 7.6. Локомотивная антенна АМК-2В:

/ — крыша локомотива; 2 — кабель; 3 — провод заземления; 4 — согласующее устройство; 5 — излучатель, помещенный в диэлектрический корпус; 6 — стойки алюминиевые; 7— заглушка; 8 — опоры

Диаграмма направленности антенны АМК-2В представлена в виде табл. 7.1. Максимальное излучение соответствует направлению от согласующего устройства к свободному концу излучателя.

Таблица 7. /

Угол,град

120

150

180

Уровень, дБ

-2,0

-2,5

-3,2

-3,5

-3,8

-3,0

7.3. Антенны, применяемые в диапазоне МВ

Стационарные антенны. Благодаря небольшим размерам антенн и высокой популярности диапазона 146—174 МГц, на рынке представлено большое количество разнообразных моделей антенн, в том числе и для диапазона железнодорожной радиосвязи 151—156 МГц. Все антенны делятся на две группы — ненаправленные и направленные. Рассмотрим основные типы и характеристики антенн, используемых сегодня в сетях железнодорожной радиосвязи. КСВ у всех рассматриваемых антенн в рабочем диапазоне частот не превышает 1,5.

Ненаправленные стационарные антенны МВ имеют в горизонтальной плоскости круговую диаграмму направленности. Их используют в зонных сетях, располагая антенну вблизи от центра требуемой зоны покрытия. Конструктивно антенны представляют собой вертикальный вибратор. Выбором длины вибратора, размеров и вида трехштыревого противовеса добиваются требуемой характеристики направленности. Применение противовеса позволяет получить преимущественное излучение в верхней полусфере. На рис. 7.7 представлено несколько видов ненаправленных вибраторных антенн, а также соответствующие этим антеннам диаграммы направленности в вертикальной плоскости. В табл. 7.2 приведены основные характеристики антенн диапазона МВ.

Из таблицы видно, что в большинстве случаев для антенн большей длины большее значение имеет и коэффициент их усиления.

Дипольные стационарные антенны МВ. Увеличения коэффициента усиления антенны можно добиться за счет применения излучателя специальной конструкции. Дипольная антенна D1 VHF представляет собой петлевой вибратор Пистолькорса (рис. 7.8). Оба плеча вибратора выполнены в виде короткозамкнутых шлейфов, длина каждого из них приблизительно равна четверти длины волны. Се-

Рис. 7.7. Виды ненаправленных вибраторных антенн и их диаграммы направленности в вертикальной плоскости

Модель

GP5/8

VHF

GP 1/4 VHF

VHF(M)

А5 VHF

А7 VHF

F2 VHF (LM)

Диапазон частот, МГц

140-174

146-163

144-174

146-158

Усиление, dBi

3,35

2,5

4,5

7,8

5,15

Допустимая мощность, Вт

100

200

400

Масса, кг

0,95

0,7

1,37

0,9

3,15

Высота в сборе, м

1,02-1,45

0,5

2,2

2,5

5,8

3,16

Разъем

SO-239

Примечание: dBi — значение коэффициента усиления антенны относительно усиления одиночного изотропного излучателя.

редина неразрезанной части вибратора является точкой нулевого потенциала, что позволяет в этой точке крепить вибратор к металлической мачте без изоляции. Его основные достоинства — широкая полоса и относительно низкая чувствительность к помехам промышленного происхождения. Применение петлевого вибратора позволяет увеличить коэффициент усиления антенны, но при этом антенна приобретает некоторую направленность, форма ее диаграммы близка к кардиоиде. Несколько искажается диаграмма направленности при креплении дипольных антенн к металлической мачте. Изменяя расстояние от излучающего элемента до мачты, можно в небольших пределах корректировать его диаграмму направленности. Распространено два варианта крепления вибратора: OMNI (на расстоянии половины длины волны

Рис. 7.8. Дипольные антенны D1 VHF, D2 VHF, D4 VHF

от мачты) и OFFSET (расстояние до мачты — четверть длины волны или 1/8 длины волны). В зависимости от варианта крепления вибратора диаграммы направленности несколько различаются (рис. 7.9). Характеристики дипольных антенн Dl, D2, D4, D8 VHF приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3

Модель

Dl VHF

D2 VHF

D4 VHF

D8VHF

Усиление OMNI, dBi

2,15

5,15

8,15

11,15

Усиление OFFSET, dBi

5,15

8,15

11,15

14,15

Сектор излучения в вертикальной плоскости по уровню —3 дБ

Г"

37°

18°

9°

Допустимая мощность, Вт

400

Масса, кг

2,3

5,2

10,4

21,5

Высота в сборе, м

0,85

2,1

9,5

Как видно из рис. 7.9 и табл. 7.3, для варианта крепления OFFSET коэффициент усиления антенны в осевом направлении оказывается на 3 дБ выше, чем для крепления OMNI.

Антенны D2, D4, D8 VHF (см. рис. 7.9) построены по принципу параллельного сложения мощностей коллинеарно расположенных двух, четырех и восьми активных петлевых вибраторов, что обеспе-

Рис. 7.9. Диаграммы направленности антенны Dl VHF в горизонтальной

плоскости

чивает сохранение широкой рабочей полосы во всем диапазоне. Эти антенны комплектуются сумматорами TK-52V, TK-54V и TK-52VL. У всех антенн этого семейства входной разъем TV-типа, допустимая для них скорость ветра — до 45 м/с. Рабочий диапазон антенн — 136-174 МГц.

Как видно из табл. 7.3, при увеличении количества вибраторов в антенне сужается ее диаграмма направленности в вертикальной плоскости, что в свою очередь приводит к увеличению коэффициента усиления в направлении максимального излучения. Несмотря на отличие формы диаграммы направленности дипольных антенн от круга, они являются всенаправленными и могут применяться в зонных сетях радиосвязи. При этом желательно учитывать реальную конфигурацию требуемой зоны покрытия и выполнять соответствующую ориентацию антенны.

Направленные антенны типа «Волновой канал» имеют высокую направленность не только в вертикальной плоскости (как антенны, рассмотренные выше), но и в горизонтальной. Применять направленные антенны целесообразно в первую очередь в линейных радиосетях, когда связь необходимо обеспечить вдоль протяженного железнодорожного участка, а также в зонных сетях в тех случаях, когда антенна располагается не в центре, а на краю покрываемого радиосвязью участка.

На рис. 7.10 представлены антенны типа «Волновой канал» четырех видов и их диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Основные характеристики антенн типа «Волновой канал» приведены в табл. 7.4. Допустимая скорость ветра для всех антенн — 45 м/с. Цифра в названии антенны означает количество вибраторов, входящих в ее состав. Помимо активного излучателя антенны имеют и пассивные элементы — рефлектор и один или несколько директоров. Длина рефлектора несколько больше, чем у активного излучателя, благодаря этому рефлектор обеспечивает однонаправленность излучения. Директоры имеют меньшую длину, чем длина активного излучателя и служат для усиления сигнала в направлении основного излучения.

У антенн Y3 VHF (М) и Y5 VHF (L) в качестве активного излучателя используется петлевой вибратор Пистолькорса, благодаря чему антенна обладает достаточно широкой полосой рабочих частот.

Рис. 7.10. Антенны типа «Волновой канал» и их диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях

Модель

Y3VHF (М)

Y5 VHF(L)

Y3 VHFy

Y5 VHFy

Диапазон частот, МГц

150-172

148-157

144-170

144-174

Усиление, dBi

7,15

10,15

7,65

10,15

Сектор излучения по уровню: ЗдБ

в вертикальной плоскости

65°

55°

50°

40°

в горизонтальной плоскости

120°

74°

112°

46°

Допустимая мощность, Вт

400

200

100

Масса, кг

2,8

3,44

1,35

1,95

Размеры:

длина х высота, м

1,1x0,95

1,68x0,95

1,05 х 1,05

1,8 x 1,05

Разъем

SO-239

Активным излучателем у антенн Y3 VHFy и Y5 VHFy служит полуволновой неразрезной вибратор с шунтовым питанием (у (гамма)-трансформатором). Гамма-трансформатор используется для согласования сопротивления кабеля с входным сопротивлением вибратора. Принцип согласования заключается в следующем. На конце вибратора ток равен нулю (узел тока), а напряжение максимально (пучность напряжения). При движении вдоль вибратора от конца к середине ток возрастает по гармоническому закону, а напряжение уменьшается. При этом вдоль вибратора изменяется и его входное сопротивление, уменьшаясь от конца вибратора к центру. Для согласования необходимо запитать вибратор в такой точке, в которой его входное сопротивление будет равно 50 Ом. Для разных частот эти точки будут различны. Настройка выполняется перемещением ползунка вдоль вибратора с измерением значений КСВ в разных точках. Для компенсации реактивной составляющей входного сопротивления на ползунке предусмотрен конденсатор.

Сравнительный анализ характеристик антенн (см. рис. 7.10 и табл. 7.4) показывает, что при одинаковых значениях коэффициентов усиления вес антенн Y3 VHFy и Y5 VHFy почти в 2 раза меньше, чем у антенн Y3 VHF (М) и Y5 VHF (L). Аналогично почти в 2 раза ниже и их стоимость. Преимуществом антенн Y3 VHF (М) и Y5 VHF (L) является большая допустимая мощность (400 и 200 Вт по сравнению с 100 Вт), однако для сетей технологической железнодорожной радиосвязи, мощности передатчиков которых, как правило, не превышают 20 Вт, это преимущество не играет роли.

Возимые антенны. Применение антенн на подвижном объекте, ориентация которого относительно антенны стационарной радиостанции постоянно меняется, делает невозможным применение направленных антенн в качестве возимых. Поэтому все возимые антенны — ненаправленные. Еще одна особенность возимых антенн, определяющая конструктивные требования к ним, — необходимость размещения антенны на крыше локомотива (или другого железнодорожного подвижного объекта) вблизи от контактной сети и с обеспечением габарита подвижного состава. По этим причинам антенна должна иметь небольшую высоту, жесткую конструкцию и малую парусность.

Основными типами локомотивных антенн, применяемыми сегодня, являются низкорасположенная антенна АЛ-2 и диско-конусная антенна АЛП-2/3. Цифры в названии антенн означают частотный диапазон, для которого они предназначены: 2 — метровые волны (150 МГц), 3 — дециметровые волны (330 МГц). КСВ у антенн обоих типов не превышает 2.

Антенна АЛ-2 (рис. 7.11) имеет сварную конструкцию и представляет собой несимметричную трехпроводную антенну с круговой диаграммой направленности. Проводами служат три вертикальные стойки 1 диаметром 20 и 36 мм. Высота антенны — около 200 мм, поэтому ее желательно использовать на крышах, свободных от экранирующих элементов. Питание подается через

Рис. 7.11. Локомотивная антенна АЛ-2

правую стойку, опирающуюся на антенный изолятор 3 с высокочастотным разъемом 4. Металлическая пластина 2 длиной 500 мм и шириной 60 мм создает в антенне емкостную нагрузку. Благодаря емкостной нагрузке ток в вертикальной части распределен практически равномерно и действующая высота антенны почти такая же, как у вибратора высотой Х/4.

Диско-конусная антенна АЛ П-2/3 (рис. 7.12) представляет собой сварную конструкцию, состоящую из центральной трубы 1, диска 3 и конуса 2, образованного восемью прутками диаметром 10 мм. Излучающими элементами являются соосные вертикальные четвертьволновые трубы разного диаметра, расположенные внутри центральной трубы и закороченные на нее внизу. Питание антенны осуществляется по коаксиальному кабелю, проходящему внутри трубы. Центральная жила кабеля распаяна на внешний цилиндр 1, а оплетка — на диск 3. Поскольку высота антенны около 70 см и антенна запитана в верхней части, то основная часть энергии излучается на высоте, превышающей экранирующие элементы, расположенные на крыше. Этим свойством определяется

Рис. 7.12. Диско-конусная антенна АЛП-2/3

область применения антенны АЛП-2/3 на подвижных объектах, на крышах которых размещено различное оборудование. Благодаря своей конструкции антенна может эффективно работать как в диапазоне МВ, так и в диапазоне ДМВ (330 МГц).

Авторы: Горелов Г.В., Роенков Д.Н., Юркин Ю.В.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎