NVIS — техника ближней связи на КВ

В статье рассказано о способе КВ-радиосвязи, использующем почти вертикальное падение волн на ионосферный отражающий слой (NVIS). Способ пригоден для расстояний 40 – 400 км, слишком больших для УКВ-связи, но малых для дальней КВ связи. Ключевыми моментами в организации связи оказываются выбор рабочей частоты и использование довольно простых антенн зенитного излучения.

     Актуальная задача

Коротковолновая радиосвязь традиционно в течение десятилетий используется для передачи информации на большие расстояния. Принцип передачи радио-сигналов (информации) на радиотрассах большой протяженности основан на отражении сигналов декаметровых волн от слоев ионосферы. Стало почти аксиомой, что на коротких волнах (КВ) стремятся проводить как можно более дальние связи, на тысячи километров, поднимая повыше антенны и используя все другие средства, чтобы прижать главный лепесток излучения к горизонту, и получить касательное отражение волн от ионосферы. На малых кораблях прием и  передача сообщений в КВ диапазоне осуществляется на вертикальные (штыревые)  антенны высотой 4 ? 10 метров. Небольшие габариты в сочетании с неплохими параметрами, а так же простота установки  штыревой антенны, делает ее наиболее подходящей для размещения на малом корабле или маломерном судне. При работе КВ-передатчика на штыревую антенну высокая частота (от 3 до 30 МГЦ) радиосигнала может достигать отдаленного приемника через  поверхностную волну у поверхности земли и пространственную волну преломляемую ионосферой.  При  этом в некоторой области вокруг передатчика образуется зона, в которой прием сигналов отсутствует. Она носит название зоны молчания (или мёртвой зоны). Ее появление связано с тем, что ни поверхностные волны (ввиду большого затухания), ни пространственные волны (из-за большого расстояния до точки возврата волны на Землю после отражения от ионосферы)  не

попадают в эту зону. В случае ненаправленных антенн эта зона представляет

собой кольцевую область приблизительно от 40 до 400 км. и более. Размер зоны молчания (внешний радиус) увеличивается при укорочении длины волны и снижении электронной концентрации в ионосфере, так как для выполнения условия отражения необходимо уменьшать угол скольжения луча по отношению к поверхности Земли. Внутренний радиус зоны молчания определяется условиями

распространения земных волн и с ростом частоты (затухание увеличивается)

уменьшается. Таким образом, рост частоты приводит к увеличению размеров

зоны молчания как «сверху», так и «снизу». В то же время существует насущная необходимость установления связи внутри региона, с ближайшими командными пунктами, кораблями вморе, береговыми узлами связи и т.д. Местная связь особенно необходима во время стихийных бедствий и других чрезвычайных ситуаций (ЧС), а рамочная NVIS антенна может быть успешно применена на автомобильных радиостанциях. Дальность действия УКВ-радиостанций ограничена дальностью прямой видимости, т. е. первыми десятками километров, и еще сильнее нарушается экранирующим действием хребтов в горных районах. Спутниковая связь пока все еще дорога и мало доступна. Таким образом, диапазон дальностей порядка 40…400 км оказался почти недоступен для современных КВ и УКВ средств связи. Для таких связей прижатый к горизонту максимум излучения антенны совсем не оптимален и даже вреден. А если к этому добавить неподходящий выбор диапазона, ближние корреспонденты вообще могут оказаться в мертвой зоне, характерной для распространения КВ. 

    Возможное решение

В последние годы возрос интерес к технике связи, названной NVIS ? Near Vertical Incidence Skywave propagation (NVIS обычно произносится как нэ-вис). Эта техника предусматривает работу пространственной волной, падающей на ионосферный слой почти вертикально, и отражающейся тоже почти вертикально вниз, создавая значительную напряженность поля на небольших расстояниях (десятки ? сотни километров) от передатчика. Из теории распространения радиоволн известно, что ионизированные слои полностью характеризуются высотой максимума электронной концентрации h и критической частотой fкр ? максимальной частотой отражающейся волны при вертикальном зондировании.  Критическая частота зависит только от электронной концентрации в слое и определяется простой формулой:

           _______

fкр =? 80,8 N    , где N ? число электронов в 1 м3.

Так, например, если в летний полдень концентрация электронов в слое Е достигла 1012 электронов/м3, то fкр = 9?106 Гц или 9 МГц. При увеличении частоты сигнала вертикально падающие волны перестают отражаться, но полого падающие волны еще отражаются. При этом вокруг передатчика образуется «мертвая зона», в которой сигнал не слышен. На больших же расстояниях сигнал может быть достаточно сильным. Максимально применимая частота (МПЧ) ? та, при которой еще отражаются волны, посланные антенной передатчика в направлении на горизонт. На частотах выше МПЧ слой вообще перестает отражать волны, посланные с поверхности Земли, и они уходят сквозь ионосферу в Космос. МПЧ обычно в несколько раз выше fкр.  Для NVIS пригодны волны с частотами ниже критической, при этом для уменьшения поглощения надо выбирать частоту как можно ближе к fкр, но немного ниже ее. Критические частоты слоя Е (90 км) и вышележащего слоя F (h = 200...250 км) очень сильно зависят от времени суток, времени года и солнечной активности. Все эти факторы определяют электронную концентрацию в слое, а, следовательно, и fкр. Расчеты показывают, что критические частоты могут изменяться от 2 до 14 МГц. Чаще же всего они лежат в области 2...7 МГц, понижаясь ночью и возрастая днем.

     Параметры и особенности конструкции атенны ST-940B

     Существует всего несколько компаний, которые производят выше указанные системы и только 2-3 изделия, которые могут иметь практическое значение. Для нашего варианта использования наиболее подходит антенна ST-940B фирмы  Stealht Ntlecom Ltd.  ST-940B магнитная полурамка с подстилающей металичес-кой поверхностью относится к рамочным антеннам малой аппертуры с электрической длиной менее 0.1 известных под названием Very Small Tuned Magnetic Loop, и может, в приближении, рассматриваться как магнитный диполь. 

На коротких расстояниях, антенна ST940-B значительно более эффективна как по приему, так и по передаче, чем любая штыревая антенна. Излучение антенны 

ST-940B происходит в зенитной плоскости, благодаря чему зона распространения поверхностной волны перекрывает зону приема ближайшей отраженной от ионосферы пространственной волны и, соответственно, исчезают «мертвые зоны»..Таким образом, антенна ST-940B идеально подходит для связи на короткие и средние расстояния от 0 до 1000 км или более (дистанции передвижения большинства пользователей мобильной КВ связи). Усиление антенны ML-940B превышает значение усиления у штыревых антенн на +10?+14 дБ. Это эквивалентно передатчику с Рвых = 500 Вт с обычной штыревой антенной. Благодаря высокому усилению антенна ST940-B излучает более мощный сигнал и имеет большую чувствительность на прием, обеспечивая значительно более эффективную работу. ST-940B полностью спроектирована с использованием современного ПО (NEC EZNEC, SolidWorks, Autocad, PCB-design и др.). При производстве были использованы высокотехнологичное оборудование: CNC-обработка, TIG-сварка, литье под давлением, штамповка, порошковая окраска. В номенклатуре комплектации широко присутствуют заказные комплектующие (вакуумные реле, вакуумные переменные и многослойные керамические конденсаторы, шаговые двигатели, сервоприводы, кабели, военные разъемы, вибродемпферы, ленточные литцендраты и др.). Было создано уникальное ПО для всех трех микроконтроллеров, управляющих работой устройства. Несмотря на применение микроконтроллеров и даже ШИМ-драйвера, антенна не создает помех КВ приему. Изделие в целом отличается продуманностью и высокой культурой исполнения. Антенна ST-940B работает при мощностях 5-150 Вт. Частотный диапазон 2,7-15 МГц, поступление частот вне этих пределов сопро-вождается отказом с звуковым сигналом и поясняющим системным сообщением на OLED-дисплее. Быстрая настройка на 32 запомненные частоты. Управление положением  рамки – дистанционное в движении, с контролем положения и параметров на OLED дисплее устройства ДУ. Это единственная автоматически настраиваемая антенна, которая без переделок может быть использована с любым трансивером, что достигается путем специально введенного микроконтрол-лерного устройства (Junction Unit), отвечающего за организацию интерфейса с любым трансивером на программном уровне. Рамочная антенна, имеет средства вывода значений электрических параметров (КСВН, частота, другие служебные сообщения), а также встроенные функции диагностики, мнемонического и акустического контроля направления движения и положения рамки на многофункциональном дисплее, установленном на рабочем месте. Это одна из немногих рамочных антенн, обеспечивающая согласование не хуже КСВН 1.2:1 во всем диапазоне. Это мобильная рамочная антенна, точка настройки которой не зависит от тряски, ударов, ветра, дождя и солнца. Конструкция не имеет физически легко уязвимых узлов и деталей, входяших в состав узкорезонансных цепей. Антенна обладает чрезвычайно острым резонансом и высокими селективными свойствами, позволяющими избавиться от дополнительных фильтров при дуплексной связи с малым частотным разносом на две рамочные антенны, которые могут быть установлены в непосредственной близости. Эти преимущества рамочных антенн дополняются чрезвычайно малыми габаритными размерами, позволяющими устанавливать их в местах, где невозможно установить никакие другие типы антенн (см. рис.1). 

     Фирмой  Stealth Telecom Ltd,  разрабатывается базовая версия антенны,  которая,  при всех вышеуказанных преимуществах, обеспечит настройку в режиме радиомолчания (по шумовому генератору), легкуюи быструю установку антенны на площади в 2м2 . Проводятся  работы по разработке рамочных антенн снабженных высокоскоростными (5миллисекунд) АСУ, позволяющими использовать эти антенны в составе радиоустановок с функцией ППРЧ (псевдослучайная перестройка частоты – FH – frequency hopping). 

                Рис. 1 Схема антенны ST-940B

Литература:

1. Stealth Telecom Ltd. ST-940D reference manual PN94090_05 issue 1July 2005(2)

ST 940B Automatic Tuning Loop Antenna

2. Austin, B.A. «Evolution of near vertical incidence skywave communications and the Battle of Arnhem». IEE Proceedings: Science, Measurement and Technology (2002): 92-98

3. http:// ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?tp=&arnumber=997794&isnumber

21521Morrow R., K5CNF. Near Vertical Incidence Skywave Communications.