Повышение надежности  КВ радиосвязи.

Управление малыми кораблями ВМФ в море, а также пограничными кораблями на службе по охране государственной границы исключительной экономической зоны и континентального шельфа осуществляется по радио в диапазоне коротких волн. Принцип передачи радиосигналов (информации) на КВ радиотрассах большой протяженности, как известно, основан на отражении сигналов декаметровых волн от слоев ионосферы. На малых кораблях прием и  передача сообщений в КВ диапазоне осуществляется на вертикальные (штыревые)  антенны высотой 6 ÷ 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. Однако штыревая антенна мало подходит для КВ радиосвязи на небольших расстояниях, т.к. главный лепесток излучения штыревой антенны прижат к горизонту, чтобы  получить касательное отражение волн от ионосферы, что необходимо для обеспечения связи  на радиотрассах большой протяженности.  Известно, что 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 через 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». Таким образом, диапазон дальностей порядка 40…400 км оказался почти недоступен для  КВ средств радиосвязи.  Для КВ радиосвязи в ближней зоне, прижатый к горизонту максимум излучения штыревой антенны совсем не оптимален и даже вреден. А если к этому добавить неподходящий выбор радиочастот, ближние корреспонденты вообще могут оказаться в мертвой зоне, характерной для распространения коротких радиоволн. Практика говорит о том, что никакие высокоэффективные системы КВ радиосвязи  не гарантируют обеспечение радиосвязи,  если нет прохождения радиосигналов между двумя абонентами (например, если один из абонентов находится в "мертвой зоне"), то никакая, даже суперадаптивная КВ система, положение не изменит.

Одно из возможных решений проблемы КВ радиосвязи на коротких трассах состоит в использовании антенн зенитного излучения (АЗИ), которые относятся к технике связи, названной NVIS − Near Vertical Incidence Skywave propagation (NVIS обычно произносится как нэ-вис). АЗИ предусматривают 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 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. 

Особенно  актуально применение NVIS антенн на малых кораблях и катерах,  для  которых  существует насущная необходимость установления связи внутри региона с ближайшими командными пунктами, кораблями в море, береговыми узлами связи и т.д. Для малого корабля в качестве АЗИ предлагается  использовать высокоэффективную  рамочную антенну типа ST-940B с автоматической настройкой на частоту.

ST-940B 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. Рамочные антенны отличаются от “открытых” типов антенн (диполей и вертикальных штырей) реактивным импендансом и низким ( 1 mOм ) сопротивлением излучения. Так как эффективность излучения антенны определяется отношением сопротивления излучения к полному сопротивлению настроенного контура (рамки), следовательно, эффективность таких антенн в значительной степени зависит от площади поверхности проводника, из которого выполнена рамка.  Путем введения специальных технологических приемов снижения сопротивления в контактах можно построить рамочную антенну, характерной особенностью которой будет являться примерно на порядок более высокая добротность (Q-factor), чем у 5-10 метровых вертикальных антенн и 10-40 метровых диполей. Как результат, при условии настройки рамки посредством КПЕ с низкими потерями, рамочные антенны обладают 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. Другой характерной особенностью таких антенн является почти вертикальный подъем угла основного лепестка излучения горизонтальной ДН, что позволяет получать отраженный от ионосферы пространственный луч в зонах, где, в случае использования других антенн, поверхностный луч уже ослаблен, а пространственный падает дальше, оставляя, таким образом, необлученную территорию. Эти преимущества рамочных антенн дополняются чрезвычайно малыми габаритными размерами, позволяющими устанавливать их в местах, где невозможно установить никакие другие типы NVIS антенн.

Ниже, на рисунке, приведены графики распространения радиоволн при использовании обычной штыревой антенны и рамочной антенны.

Ни одна вертикальная штыревая удлиненная антенна - единственно возможная другая антенна на транспорте – не может ни передать, ни принять достаточно энергии для покрытия типичной 60-300 км мертвой зоны. На коротких расстояниях, антенна ST940-B значительно более эффективна как по приему, так и по передаче, чем любая штыревая антенна. Излучение антенны ST940-B 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 ST940-B 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 превышает значение усиления у штыревых антенн на +10 - +14 дБ. Это эквивалентно передатчику 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.

 Фирмой  Stealth Telecom Ltd,  разработана базовая версия антенны ST940-B,  которая предназначена для установки на автомобильном транспорте.  Антенна ST-940B работает при мощностях 5-150 Вт. Частотный диапазон 2,7-15 МГц, поступление частот вне этих пределов сопровождается 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 микроконтроллерного 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, входящих в состав узкорезонансных цепей. При всех вышеуказанных преимуществах, антенна обеспечивает настройку в режиме радиомолчания (по шумовому генератору), легкую и 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). Учитывая большой научно-технический задел, накопленный при разработке и изготовлении ST940-B, фирмой  StealthTelecom Ltd может быть  разработан морской вариант рамочной антенны. В морском варианте исполнения можно упростить конструкцию антенны за счет  отказа от некоторых функций не нужных при использовании на корабле.

Ниже приведены варианты исполнения корабельных NVIS антенн:           

Antennes NAVALES HF- NVIS-ALE & EVF  ANN – 108 и ANN – 109 для симплексной  и дуплексной связи. Устанавливаются на кораблях ВМФ Франции.

Для  антенны ANN-108  –  H составляет 0,7 м, вес – 22 кг

для антенны  ANN-109 –    Н составляет 1,30 м,  вес 19 кг.                                                                 

Частотный диапазон  антенны ANN-108 – 3-18 МГц.

Частотный диапазон  антенны ANN-109 – 2-16 МГц.

Выходное сопротивление                         −  50 Ом

Напряжение питания                                 − от 22 до 30 В

Потребляемая мощность                           − менее 20 Вт

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