Евразийский
научный
журнал

О сдвоенной модели передающей линейной магнитной антенны электромагнитных волн для морских испытаний на частоте менее 1 кГц (часть 2)

Поделитесь статьей с друзьями:
Автор(ы): Ляско Арий Борисович
Рубрика: Технические науки
Журнал: «Евразийский Научный Журнал №8 2017»  (август, 2017)
Количество просмотров статьи: 1016
Показать PDF версию О сдвоенной модели передающей линейной магнитной антенны электромагнитных волн для морских испытаний на частоте менее 1 кГц (часть 2)

Ляско Арий Борисович
Радиоинженер,
канд.физ.-мат.наук, Ph.D.

1. В качестве напоминания на Фото.1 представлен вид удвоенной модели Передающей Линейной Магнитной Антенны (ПЛМА) в момент её стендовых испытаний. Она состоит из модели ЛМА№ 37 (снизу) и модели ЛМА№ 37м (сверху) в герметичных оболочках, размещённых параллельно друг над другом на расстоянии 25 см между их продольными осями .

artkfrmn_1.jpg

Фото.1.

1.1 Некоторые основные характеристики моделей ЛМА№ 37 и ЛМА№ 37м.

Измеренные с помощью L-C-R цифрового измерительного моста на частоте 1 КГц, представленного на Фото.2 в момент измерения в отсутствии магнитопровода параметров соленоида «возбуждения» продольного магнитного потока для одной из моделей ЛМА, приведены ниже:

artkfrmn_2.jpg

Фото.2.

а) индуктивность Lo, сопротивление потерь rs и добротность соленоида Q продольного магнитного поля «возбуждения» без магнитопровода имеют следующие значения:

для модели ЛМА№ 37 — Lo=48 мкГн, rs=0.157 Ом, Q=1.9, а для ЛМА № 37м — Lo=55.5 мкГн, rs=0.183 Ом, Q=1. 93

 б) индуктивность Lа, сопротивление потерь rs и добротность Q соленоида продольного магнитного поля «возбуждения» в присутствии магнитопровода :

для модели ЛМА№ 37 — Lа1=2.470 мкГн, rs1=0.117 Ом Q1>100, и для ЛМА № 37м Lа2=2.487 мкГн, rs2=0.133 Ом, Q2>100

1.2. Величина эквивалентной резонансной емкости Co в резонансной антенной цепи тока Ia «возбуждения» блоков конденсаторов, представленных на Фото.1, измеренная на частоте 1 КГц, равна 8.85 мкФ.

1.3. Производилась оценка коэффициента взаимной индукции Ксв индуктивностей обмоток тока «возбуждения между этими двумя моделями ПЛМА путём обработки результатов анализа АЧХ Изо.1, Изо 2,Изо.3, Изо.4. Величину Ксв считаем положительной, если эквивалентная величина индуктивности La антенного контура тока «возбуждения» удвоенной модели ПЛМА обладает большей величиной при том же значении контурной емкости Co при осуществлённом варианте последовательного соединения концов обмоток соленоидов «возбуждения». Положение пика огибающих кривых «синего» и «зелённого» цвета на Изо.1 и Изо.2 находится в более высокой области по оси частот, чем положение пика огибающих кривых «синего» и «зелённого» цвета на Изо.3 и Изо.4. Данный факт является свидетельством меньшей величины индуктивности La антенного контура тока «возбуждения» удвоенной модели ПЛМА при осуществлённом и используемом в дальнейшем варианте подсоединения концов обмоток соленоидов модели ЛМА№ 37 и модели ЛМА№ 37м. Четыре цвета кривых используются при отображении результатов измерения с помощью виртуального цифрового четырёхканального осциллоскопа — спектр анализатора АКИП-4110/1, при этом: «синий» — Вход № 1 (канал А), «красный» — Вход № 2 (канал Б), «зелёный»- Вход № 3 (канал В) и «коричневый» — Вход № 4 (канал Г). В процессе мониторинга режима работы УМ и удвоенной модели ПЛМА на Вход № 1 было подано падение напряжения на калибровочном сопротивлении Rt = 0.0125 Ом (пропорциональное величине антенного тока «возбуждения» Ia.). На Вход№ 2 было подано напряжение Urtout с выхода вторичной обмотки СТ. На Вход № 3 было подано напряжение Uret обратной связи (с одновитковой петли, обхватившей торцовую часть внешних оболочек удвоенной модели ПЛМА, представленной на Фото.1). На Вход № 4 было подано напряжение Uout с выхода одного из двух равнозначных каналов УМ.

Итак, величина эквивалентной индуктивности La может быть оценена с помощью вычислений по формуле: artkfrmn_3.gif (1.3 — 1), artkfrmn_4.gif (1.3 — 2), где L2a — эквивалентная величина индуктивности обмотки соленоида «возбуждения» модели ЛМА№ 37м, L1a — эквивалентная величина индуктивности обмотки соленоида «возбуждения» модели ЛМА№ 37.

а) Для удвоенной модели ПЛМА существуют два способа последовательного подсоединения концов обмоток их соленоидов «возбуждения». Для АЧХ Изо.3. резонансное значение частоты несущей f2= 625.8 Гц. поэтому с учётом значения Co=8.85 мкФ La=7.308 мГ (1.3 — 3). С учётом п.1.1б для модели ЛМА№ 37 — Lа1=2.470 мкГн и Lа2=2.487 мкГн М12 =2.48 мГн (1.3 — 4), поэтому Ксв2 = 0.48 (1.3 — 5) для 25 см расстояния между их осями.

б) Тогда как для АЧХ Изо.1 резонансное значение частоты несущей f1= 820 Гц. поэтому с учётом значения Co=8.85 мкФ La= 4.257 мГн (1.3 — 3). С учётом п.1.1б для модели ЛМА№ 37 — Lа1=2.470 мкГн и Lа2=2.487 мкГн М12 =2.48 мГн (1.3 — 4), поэтому Ксв1 = - 0.06 (1.3 — 6) для 25 см расстояния между их осями.

Именно по этой причине в дальнейшем был выбран именно данный способ последовательного соединения концов обмоток «возбуждения» моделей ПЛМА.

Кривые Изо.1, Изо.2, Изо.3, Изо.4 были получены при одном и том же значении амплитуды антенного тока «возбуждения» Iam =12.6 А.

artkfrmn_5.gif

Изо.1 Оценка величины резонансной частоты по АЧХ сигнала при КУ=20 дБ и при отрицательном значении коэффициента связи Ксв= - 0.06

artkfrmn_6.gif

Изо.2. Оценка величины резонансной частоты по АЧХ сигнала при КУ=20 дБ и при отрицательном значении коэффициента связи Ксв= - 0.06.

artkfrmn_7.gif

Изо.3. Оценка величины резонансной частоты по АЧХ сигнала при КУ=20 дБ при положительном значение коэффициента связи Ксв=0.48.

artkfrmn_8.gif

Изо.4. Оценка величины резонансной частоты по АЧХ сигнала при КУ=20 дБ при положительном значение коэффициента связи Ксв=0.48.

artkfrmn_9.gif

Изо.5

artkfrmn_10.gif

Изо.6 Изображение спектральной плотности сигнал с МА№ 8 на реставрационном выходе 3581A "Wave Analyzer«при зарегистрированном эффективном значении на дистанции 35 м при КУ=20 дБ и значении амплитуды антенного тока «возбуждения» Iam =12.6 А равном 3 мВ.

3.1. Данные, представленные на Изо.1, Изо.2, Изо.3, Изо.4, Изо.5 и Изо.6 получены при значении положения много позиционного переключателя УМ в положении КУ = 20 дБ, В этом случае в момент резонанса, когда f=fo протекаемый ток «возбуждения» по обмоткам соленоидов моделей ЛМА№ 37 и ЛМА№ 37м достигал амплитудного значения Iam =12.6 А. Для случая Изо. 5 в силу нелинейности материала её магнитопроводов приходится путём плавного изменения сдвига фазы у сигналов, отображённых на ВХ Изо.5 синим цветом (это напряжение Urt(0.0123 Ом) и красным цветом (это напряжение Utrout ) за счёт плавного изменения частоты на выходе ФГ «ручкой» потенциометра плавной установки частоты, размещённой в правой верхней части передней панели ФГ, осуществлять совмещение пиков этих «кривых». Графическое изображение красного цвета является изображением формы пика удвоенного амплитудного значения напряжения Urt(0.0125 Ом)=314.8 мВ на специальном 1% калиброванном сопротивлении Rt=120 Ватт, находящегося в ИК и включённого последовательно в замкнутую токовую цепь на выходе вторичной обмотки СТ питания обмоток соленоидов тока «возбуждения». Графическое изображение пика кривой «красного» цвета представляет удвоенное амплитудное значение напряжения Utrout =5.885 В на выходе вторичной обмотки СТ. При этом частота несущей f=819.78 Гц. С помощью изображения АЧХ Urt(0.0123 Ом) на Изо.2 стало возможным определить на уровне −3 дБ значение полосы пропускания CW=28.19 Гц антенного контура тока «возбуждения» и прочие важные параметры, указанные в тексте в нижней части Изо.6 . В процессе наблюдения за формой контролируемых напряжений, представленных на Изо.6 осуществлялся мониторинг величины зарегистрированного сигнала (см. Изо.5) разработанной и собственноручно изготовленной автором модели Пассивной Приёмной Ферритовой Антенны МА№ 8, внешний вид которой в герметичной цилиндрической оболочке (5 см- диаметр, 100 см — длина) серого цвета представлен на Фото.3. Экранированный двух жильный кабель выходного сигнала модели МА№ 8 (см. Фото.3). длиной порядка 95 см был подсоединен к входу прецизионного анализатора HP 3581A "Wave Analyzer"( см. Фото.4). Модель МА№ 8 была находилась в помещении размещения контролирующего оборудования режимом работы УМ и тестируемой удвоенной модели ПЛМА и комплекта устройств контроля выходного сигнала с МА№ 8 , изображенного на Фото.4 в момент осуществления полевых измерений радиационного уровня на пересечённой местности, излучаемого в режиме CW удвоенной моделью ПЛМА. HP 3581A "Wave Analyzer«(см. Фото.4) — в процессе данного стендового теста удвоенной модели ПЛМА используется как прецизионный

селективный вольтметр с возможностью отсчёта зарегистрированного уровня сигнала с МА№ 8 не посредственно с помощью его электродинамического стрелочного прибора, как по шкале «линейного отсчёта», так и по шкале «логарифмического отсчёта» при установке полосы пропускания

RBW = 3 Гц. Значение частоты исследуемого сигнала возможно отсчитать по много разрядному цифровому индикатору. HP 3581A «Wave Analyzer»- обладает автоматической системой фазового захвата и сопровождения усиливаемого и реставрируемого им аналогового сигнала в широком спектре его амплитуд от 0.1 мкВ до 30 В, устанавливаемых предварительно с помощью двух много позиционных переключателей на его передней панели . Этот тракт аналогового усиления обладает автоматической системой регулирования уровня регистрации сигала, сохраняя

не изменой его спектральную «сигнал — шум» форму при выбранном заранее значении RBW с помощью размещённого на его передней панели много позиционного переключателя. Выходной сигнал этого тракта усиления может быть снят, подсоединением размещённого на его задней панели типа BNC разъема с помощью подсоединённого к нему коаксиального кабеля идущему к устройствам дальнейшего спектрального анализа, как это видно из содержания изображения Фото.4.

Итак, как отмечено в тексте, размещённом в нижней части изображения ВХ Изо.6 :

а) был зарегистрировано с помощью HP 3581A «Wave Analyzer» эффективное значение напряжения при RBW = 3 Гц выходного сигнала МА№ 8 на дистанции 35 м от излучаемой ЭМВ на частоте f=819.78 Гц модели ПЛМА равный UHp=3 мВ эффективного значения, при этом о виде его спектра можно судить по изображению спектральной плотности на Изо.6б) с помощью портативного спектрометрического цифрового измерителя магнитной или электрической составляющей напряжённости электромагнитного поля типа АКИП 4210/3 (см. Фото., установленый на штативе). С его помощью было зарегистрировано эффективное значение индукции магнитного поля в лаборатории при дистанции 35 м Btest(D=35 m)= 2.036 nТл, что позволяет оценить

так называемую «Эффективную или действующую высоту» Heff приёмной антенны МА№ 8 в месте её расположения. Итак, HeffМА№ 8= UHp/Etest(35м) (3.2 — 1), ноartkfrmn_11.gif (3.2-2), где μо=4π10 −7 (3.2 — 3) Wo=377 Ом (3.2 — 4), поэтому Etest(35м)=0.61 В/м из чего следует, что

для частоты порядка 820 Гц HeffМА№ 8=0.005 м (3.2 — 5), что и было отмечена, в частности, в тексте к Изо.5.

artkfrmn_12.gif

Фото.3

artkfrmn_13.gif

Фото.4.

3.2. Автор прежде, чем начать проектировать модель МА№ 8, так же как модели ЛМА№ 37 перед тем как их изготавять, теоретически рассчитывал возможное значение «Действующей или Эффективной Высоты» НеффМА№ 8 по предполагаем её геометрических и пр. параметрам, а также осуществлял все необходимые математические расчёты для их виртуальных моделей, даже с чётом размещения как модели приёмной антенны МА№ 8 так и виртуальной модели ЛМА№ 37, исходя из предположения, что амплитудным значением Iam = 35.7А«, ни только в «свободном» пространстве, но и морской среде. Автор произвёл все необходимые теоретические расчёты на ПК с помощью лицензируемой компьютерной программы [13], приобретенной им еще в конце 90-стых годов. Копия ( выполнена в pdf формате файле) результата такого расчёта для иллюстрации включена в виде рабочего материала в Приложении 1.

3.2.1 Существует формула для расчёта «Действующей Высоты» Приёмных Рамочных Антенн, в модернизированном виде которую с целью расчёта НеффМА№ 8 можно представить в виде:

artkfrmn_14.gif (3.2.1 — 1), где N — число витков её обмотки соленоида, каркас которого надет на стержень магнитопровода, Аэфф — площадь поперечного сечения этого каркаса с намоткой в кв.м, λ — длина волны принимаемого сигнала в данной среде, μефф — эффективное значение относительной величины магнитной проницаемости материала используемого стержня магнитопровода (естественно, имеется в виду его разомкнутость для силовых магнитных линий), где единицё измерения НеффМА№ 8, так же как и является λ является м. При значениях N =3200, artkfrmn_15.gif (3.2.1 — 2), dc= 3.5 см. Аэфф=9.62 кв.см, μефф =108, так как в «свободном» пространстве для частоты 820 Гц длина волны λ = 365853.6 м (3.2.1 — 3), то поэтому

НеффМА№ 8 = 0.0057 м (3.2.1 — 4), что практически совпало с её величиной, определённой в результате проводимых тестов, у казанной выше в (3.2 — 5).

В морской среде, когда величина объёмного сопротивления морской воды при 25 градусов по Цельсию Ω = 0.3 Ом м, относительная величина магнитной проницаемости равна μr = 1, а относительная величина диэлектрической проницаемости εr = 81, то оказывается что в такой среде величина длины волны при частоте несущей, равной 820 Гц в соответствии с принятой у геофизиков [14.], может быть рассчитана по формуле:

artkfrmn_16.gif (3.2.1 — 4) , где μ= μ0 =4π 10 −7 Гн/м, artkfrmn_17.gif= 60.49 м (3.2.1 — 5) вместо λ = 365853.6 м. В связи с таким практически обоснованном фактом для морской среды «Действующая высота» НеффМА№ 8 = 34.47 м (3.2.1 — 6)

artkfrmn_18.gif

Изо.7

artkfrmn_19.gif

Изо.8

artkfrmn_20.gif

Изо.9.

3.2.2. Данные, представленные на Изо.7, Изо.8, получены при значении положения много позиционного переключателя УМ КУ = 28 дБ, В этом случае в момент резонанса, когда f=fo протекаемый ток «возбуждения» по обмоткам соленоидов моделей ЛМА№ 37 и ЛМА№ 37м обладает амплитудным значением Iam=31.94, f = 816.1 Гц и подводимая мощность Pa=190.6 Ватт, а на Изо.9 — Iam =36.4 А и подводимая к испытываемой модели ПЛМА мощность Pa=207.6 Ватт. Как и ранее в силу нелинейности материала её магнитопроводов путём плавного изменения фазы частоты ручкой её изменения на передней панели ФГ осуществлялось совмещение пика кривой «синего» цвета, представленной на Изо.9 (представляющей удвоенное амплитудное значение напряжения Urt(0.0125 Ом)=908.8 мВ на специальном 1% калиброванном сопротивлении Rt=120 Ватт, находящегося в ИК и включённого последовательно в замкнутую токовую цепь на выходе вторичной обмотки СТ питания обмоток соленоидов тока «возбуждения») с пиком кривой «красного» цвета (представляющей удвоенное амплитудное значение напряжения Utrout = 23.83 В на выходе вторичной обмотки СТ). При этом частота несущей f=817.9 Гц. С помощью изображения АЧХ Urt(0.0123 Ом) Изо.8 стало возможном определить на уровне −3 дБ значение полосы пропускания CW=20.68 Гц антенного контура тока «возбуждения» и прочие важные параметры, указанные в тексте в нижней части Изо.9.

4. Интересно ответить, что в соответствии с расчётами Приложения 1. в «свободном» пространстве уровень выходного сигнала виртуальной приёмной антенны МА№ 8 для дистанции 35 м при Iam =35.7 А амплитудное значение её выходного напряжения составляет величину 26 мВ, тогда как в лабораторных условиях (см. текст в нижней части Изо.9 при Iam =36.4 А) составило 11.3 мВ амплитудного значения. При этом в морской среде на дистанции 35 м амплитудное значение выходного сигнала виртуальной модели МА№ 8 составляет величину 38 мВ. Это объясняется увеличеным значения её «Действующей высоты» Нефф за счёт резкого снижения длины волны в морской среде а также ростом напряжённости магнитного поля, создаваемое виртуальными моделями ЛМА№ 37 за счёт уменьшения величины волнового сопротивления со значения 377 Ом до 49.9 Ом (в 9 раз) , и как выше отмечалось, за счёт резкого уменьшения длины волны со значения λ = 365853.6 м до значения 60.49 м. Поэтому расчёты, произведённые в Приложении 1 для морской среды показали, что на дистанции 300 м на выходе МА№ 8 амплитудное значение напряжения составит величину 21.7 мкВ, на дистанции 400 м — величину 1.4 мкВ, а на дистанции 500 м на дистанции — 0.23 мкВ. Необходимо отметить, что вычислениях, приведённых в Приложении1, автор воспользовался ни только выше приведённой формуле (3.2 — 4) для вычисления длины волны в средах обладающих конечной величиной объёмного электрического сопротивления Ω, принятого у Геофизиков, но вместо принятого ими выражения для расчёта экспоненциального затухания электрической или магнитной составляющей напряжённости электромагнитного поля частоты f в таких средах:

artkfrmn_21.gif (4 — 1) автор предпочёл использовать выражение: artkfrmn_22.gif (4 — 2) для расчёта слоя именно морской среды с параметрами Ω = 0.3 Ом м, относительная величина магнитной проницаемости μr =1, относительная величина электрической проницаемости εr = 81 электрическая или магнитная составляющая напряжённости электромагнитного поля плоской электромагнитной волны уменьшается в 2.71 раз. Данное выражение любезно предоставлено автору по его электронной почте более 2х лет назад Геофизиком, доцентом, канд. физ.-мат. наук Павлом Юрьевичем Пушкарёвым (www.spectrageo.narod.ru/CV_Ru.htm), получивший данный результат исследованием именно прохождением плоской электромагнитной волны в морской среде при значении её параметров εr= 81, μr = 1, Ω=0.3 Ом м. Данное выражение автор использовал впервые при написании работы [4]. В настоящий момент всмотревшись внимательно в суть содержания выражения с учётом сохранения размерностей внутри его для использования в компьютерной программы [13] Приложения1 автор пришёл к заключения, что выражение П.Ю.Пушкарёва фактически имеет вид artkfrmn_23.gif (4 — 3), где при μ= μ0 =4π 10 −7 Гн/м (3.2 — 1), где μr = 1, μ= μ0 =4π 10 −7 Гн/м. hm — это слой уменьшения в 2.71 раз, но такое написание выражения (4 — 3) в точности совпадает с выражением (3.2.1 — 4) для длины волны λ частоты несущей f , обладающей конечным значением величины Ω. Отсюда можно сделать далеко идущий для практического применения вывод: П.Ю. Пушкарёв практически установил, что в морской среде для любой частоты f электрическая или магнитная составляющая напряжённости электромагнитного поля уменьшается в 2.71 раз, пройдя в данной среде путь равный длине его волны.

5. Заключение

Именно достижения Советских и Российских Геофизиков по развитию науки о прохождения радиоволн в недрах Земли, в водной и морской среде сыграли решающую роль в убеждении автора в возможности осуществления даже при подводимой к удвоенной модели ПЛМА мощности порядка 200 Ватт осуществление с помощью пассивной ферритовой антенной МА№ 8 уверенную регистрацию в морской глубине даже при частоте несущей порядка 820 Гц сигнала на дистанции до 500 м. Но эти модели сделает возможным увеличить предельно возможную дистанцию до 1000 м, если просто уменьшить величину ёмкости конденсаторов, что не представляет ни какой трудности, так как используемый блоке конденсаторов Фото.1 тип серийно выпускаемые конденсаторов обладая ассортиментом с большей величиной ёмкости, позволяют уменьшить частоту резонанса антенного контура тока «возбуждения» для данного типа удвоенной модели ПЛМА до 250 Гц.

Литература:

  1. А.Б. Ляско, Патент РФ № 2428774 на изобретение «Передающие Линейные Магнитные Антенны (ЛМА)», 10 Сентября 2010 г., ФИПС, Москва.
  2. Материалы сайта компании «О.О.О. ЛРЭТ», www.lret.ru, 2017г.
  3. А.Б. Ляско, "Сферические волны передающей линейной магнитной антенны (Часть 1),"Евразийский научный журнал" № 6, Июнь 2016 г.
  4. А.Б. Ляско, «Сферические волны передающей магнитной антенны (Часть 2), «Евразийский научный журнал» № 7, Июль 2016 г.
  5. А.Б. Ляско, «О реальной возможности использования линейных магнитных антенн (ЛМА) для электромагнитной двусторонней трансляции дискретной информации в морской среде между мобильными объектами в диапазоне КНЧ», «Евразийский научный журнал» № 8, Август 2016 г.
  6. А.Б. Ляско, «Об испытании модели линейной магнитной антенны ЛМА№ 20м1 (Часть 1)», «Евразийский научный журнал» № 11, Ноябрь 2016 г.
  7. А.Б. Ляско, «Об испытании модели линейной магнитной антенны ЛМА№ 20м1 (Часть 2)», «Евразийский научный журнал» № 12, Декабрь 2016 г.
  8. А.Б. Ляско, «Об испытании модели линейной магнитной антенны ЛМА№ 20м1 (Часть 3)», «Евразийский научный журнал» № 1, Январь 2017 г.
  9. А.Б. Ляско, «Испытание излучения мобильной ушестерённой модели линейной магнитной антенны на пересечённой местности в СДВ диапазоне» , «Евразийский научный журнал» № 1, Январь 2017 г.
  10. А.Б. Ляско, «Об особенности испытания одно и многомодульных моделей ЛМА для СДВ диапазона электромагнитных волн», «Евразийский научный журнал» № 2, Февраль 2017 г.
  11. А.Б. Ляско, «Об особенности испытания одно и многомодульных моделей ЛМА для СДВ диапазона электромагнитных волн (часть 2)», «Евразийский научный журнал» № 2, Март 2017 г.
  12. А.Б. Ляско, "О сдвоенной модели передающей линейной магнитной антенны электромагнитных волн для морских испытаний на частоте менее 1 КГц","Евразийский научный журнал" № 2, Август 2017 г.
  13. Компьютерная программа для MS Windows 95 «MathCAD, V7.0 Profession», MathSoft.Inc.
  14. Труды Геофизиков "Канадцкая презинтация 2002 г«,Компании О.О.О «Радионда».

Приложение 1:

artkfrmn_24.gif

artkfrmn_25.gif

artkfrmn_26.gif

artkfrmn_27.gif

artkfrmn_28.gif

artkfrmn_29.gif