Направляющие линии и особенности распространения энергии радиосигнала

М.С. Мухамедзянов

«Антенны»

Учебно-методическое пособие для слушателей ИДПО

Согласовано

____________________

(должность)

____________ __________

(подпись) (ФИО)

«___» ____________ 201__ г.

Екатеринбург

Содержание

Направляющие линии и особенности распространения энергии радиосигнала

Особое место в технологическом процессе управления движением по­ездов и обеспечении безопасности их движения принадлежит техническим средствам поездной радиосвязи (ПРС), которые в настоящее время функцио­нируют в диапазонах гектометровых, метровых и дециметровых волн. Радио­связь – единственное средство связи с машинистами поездных (магистраль­ных) локомотивов (ТЧМ).

Эффективность применения ПРС определяется уменьшением коли­чества остановок поездов, временем их простоя на участках и станциях, уве­личением участковой скорости и интенсивности движения поездов, повыше­нием безопасности их движения.

Главным требованием при организации системы ПРС является созда­ние вдоль полотна железной дороги работающими стационарными радио­станциями такого уровня радиополя полезного сигнала, при котором обеспе­чивается уверенная и устойчивая радиосвязь с ТЧМ.

Энергия высокой частоты передается от передатчика к приемнику в системе ПРС как за счет полей излучения, так и за счет полей индукции. Второй способ передачи высокочастотной энергии нашел наибольшее рас­пространение, поскольку энергия передатчика концентрируется и направля­ется вдоль трассы движения локомотива с помощью направляющих линий (НЛ), в качестве которых применяются провода воздушной линии связи (ВЛС), высоковольтные провода линии продольного энергоснабжения, ДПР (два провода – рельс) и автоблокировки (ЛЭП – 10 кВ) и специально подве­шиваемый на опорах контактной сети провод (волновод).

Тип НЛ выбирается с учетом особенностей местных условий и параметров трассы, способа высокочастотного возбуждения и обработки линии, рода тяги и др. Этими факторами и определяется эффективность ее использования. Применение волновода в качестве НЛ – это наиболее эффективный способ обеспечения надежной и уверенной радиосвязи с абонентами. Но тут требуются дополнительные материалы и серьезные трудозатраты.

Высокочастотная электромагнитная энергия при использовании проводов НЛ не излучается в пространство, а концентрируется вокруг них и канализируется вдоль железнодорожной трассы. При этом энергия от стационарных радиостанций в НЛ и обратно передается индуктивным способом с помощью синфазной или противофазной запитки проводов.

Направляющие линии по сравнению с распространением поля в свободном пространстве существенно уменьшают затухание высокочастотной энергии при распространении и тем самым, как правило, обеспечить необходимую дальность радиосвязи. Но даже при использовании проводов НЛ не всегда можно получить уверенную и устойчивую радиосвязь с машинистами поездных локомотивов, находящихся на перегонах большой протяженности и сложных по профилю трассах.

Когда невозможно по каким-либо причинам применение проводов НЛ (при большом удалении ВЛС или ЛЭП от ж.-д. полотна (более 25 м), наличии кабельных вставок значительной длины или отсутствии НЛ), на станциях устанавливаются Г-образные антенны. Причем эффективность радиоканала при использовании этого типа антенн снижается из-за низкого к.п.д. локомотивной антенны (это сказывается и при использовании проводов НЛ). Но главное состоит в том, что в 5 км от станции дальность связи при применении стационарных Г-образных антенн не обеспечивается. Это объясняется влиянием геоэлектрических параметров почвы (диэлектрической проницаемости ε и удельной электрической проводимости σ) на снижение уровня полезного сигнала [1].

Уровень сигнала на том или ином участке перегона (координате пути) может быть намного ниже минимально допустимого значения, и поэтому расчет по [2] не позволяет установить причину существенного снижения сигнала на конкретном участке перегона железной дороги. Это снижение может быть обусловлено, например, влиянием поверхности слоя почвы, группового провода заземления и других устройств энергоснабжения, увеличением расстояния между антенной локомотива и проводами НЛ (более 15 м) на одно- и двухпутных участках железной дороги, неисправностью направляющей линии за счет некачественного изготовления изоляторов или плохого соединения проводов НЛ между собой, а также другими причинами, допущенными в технологическом и техническом процессах.

Именно расчет уровня сигнала на каждом километре участка железной дороги позволяет установить причину снижения полезного сигнала в любой точке перегона. При этом он должен основываться на обязательном учете влияния параметров почвы (относительной диэлектрической проницаемости ε и удельной электропроводимости σ).

Существуют два пути передачи высокочастотной энергии вдоль НЛ:

а) между проводами, тогда образуется волновой канал с противофазной или межпроводной электромагнитной волной;

б) между проводом (или проводами) и землей, тогда возникает синфазная или земляная волна.

Волновой канал – это группа проводов и земля, по которым распространяется данная волна.

Основной параметр оценки эффективности применения той или иной НЛ – это километрическое затухание каждого из волновых каналов. Наименьшим затуханием обладает противофазная волна, наибольшим – синфазная.

Существенное затухание сигнала за счет земляной волны обусловлено тем, что часть потока волнового поля, излученного передатчиком стационарной радиостанции, проникает в почву и, поглощаясь там, теряется в виде тепла. От того, какая доля электромагнитной энергии поля попадает в почву, зависит скорость убывания этого поля вдоль железнодорожной трассы. Процесс проникновения поля в почву связан с ее электрическими свойствами: величиной диэлектрической проницаемости ε и электропроводимостью σ. В таблицах 1 и 2 представлены данные по многообразию видов почвы и ее параметров ε и σ.

Потери энергии сигнала происходят в верхнем, активном слое почвы [3] толщиной, определяемой по формуле (1).

(1)

Следовательно, для рабочей длины волны ПРС ( ) глубина проникновения энергии в почву определяется удельной электрической проводимостью почвы σ.

Антенны

Антенна (А), устройство для излучения и приёма радиоволн.

Передающая антенна преобразует энергию электромагнитных колебаний высокой частоты, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых радиоволн. Преобразование основано на том, что, как известно, переменный электрический ток является источником электромагнитных волн. Это свойство переменного электрического тока впервые установлено Г. Герцем в 80-х гг. 19 в. на основе работ Дж. Максвелла.

Приёмная антенна выполняет обратную функцию – преобразование энергии распространяющихся радиоволн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приёмника. Формы, размеры и конструкции антенн разнообразны и зависят от длины излучаемых или принимаемых волн и назначения А. Применяются А. в виде отрезка провода, комбинаций из таких отрезков, отражающих металлических зеркал различной конфигурации, полостей с металлическими стенками, в которых вырезаны щели, спиралей из металлических проводов и др.