В статье рассматриваются конструктивные особенности антенн УКВ-радиосвязи и их влияние на качество передачи сигналов в условиях гористой местности и мелководных участков Амурского залива. Основное внимание уделено анализу работы штыревых антенн и антенн с запирающим стаканом. Представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных в стационарных и мобильных условиях с использованием профессионального радиооборудования. Выявлено, что высота установки антенны, материал конструкции и тип диаграммы направленности оказывают критическое влияние на уровень сигнала. Установлено, что для сложного рельефа предпочтительны антенны с узкой диаграммой направленности, а для мелководья эффективны штыревые антенны. Предложены практические рекомендации по выбору и установке антенн для повышения надежности связи и навигационной безопасности в сложных географических условиях.
Ключевые слова : УКВ-радиосвязь, антенны, Амурский залив, штыревые антенны, антенны с запирающим стаканом, качество сигнала, гористая местность, мелководье, судоходство, навигационная безопасность.
This article examines the structural features of UHF radio communication antennas and their influence on signal transmission quality in the hilly terrain and shallow areas of Amur Bay. The primary focus is on analyzing the performance of whip antennas and antennas with locking cups. Results from experimental studies conducted under both stationary and mobile conditions using professional radio equipment are presented. It was found that antenna installation height, construction material, and radiation pattern type critically affect signal strength. It was determined that antennas with narrow radiation patterns are preferable for complex terrain, while whip antennas are effective in shallow waters. Practical recommendations for selecting and installing antennas are proposed to enhance communication reliability and navigation safety in challenging geographical conditions.
Keywords: UHF radio communication, antennas, Amur Bay, whip antennas, antennas with locking cups, signal quality, hilly terrain, shallow waters, shipping, navigation safety.
Для исследования влияния конструкций антенн УКВ-радиосвязи на качество передачи сигналов в условиях гористой местности и мелководья Амурского залива были выбраны типовые конструкции судовых антенн, широко применяемых в морском судоходстве. В первую очередь рассматривались штыревые антенны и антенны с запирающим стаканом, так как они обладают различной диаграммой направленности и эксплуатационными характеристиками, что позволяет объективно оценить влияние конструктивных особенностей на распространение радиоволн.
Штыревые антенны являются стандартным решением для судов, обеспечивая всенаправленное излучение и прием сигналов. Их конструкция представляет собой вертикальный излучатель длиной от 1 до 2 метров, изготовленный из антикоррозийных материалов, таких как алюминиевые или стеклопластиковые трубы с проводящим сердечником. Это делает их устойчивыми к воздействию морской среды, включая соленую воду и высокую влажность. Антенны с запирающим стаканом, в свою очередь, обеспечивают более эффективное согласование с фидером и снижают отражения сигнала, что особенно важно в условиях сложного рельефа. Длина таких антенн, как правило, составляет около 1,5–2,5 метров, что позволяет установить их на мостике судна для достижения максимальной дальности связи.
Экспериментальные исследования проводились в акватории Амурского залива, который характеризуется уникальными гидрологическими и географическими условиями. Северо-западная часть залива представлена гористым побережьем с множеством возвышенностей, скалистыми утесами и речными долинами. Эти природные препятствия создают сложные условия для распространения радиоволн, вызывая их многократное отражение, дифракцию и поглощение. В то же время мелководные участки, преобладающие в северной части залива, с глубинами порядка 10–15 метров, влияют на распределение электромагнитных волн из-за высокой проводимости морской воды, что также способствует увеличению потерь сигнала. Отдельное внимание уделялось влиянию приливных течений и ветровых нагрузок, которые способны вызывать колебания мачт, изменяя угол излучения антенн.
Для проведения исследований использовались высокоточные средства измерения, включая морские УКВ-радиостанции с регулируемой мощностью передачи до 25 Вт и чувствительными приемниками, работающими в диапазоне частот 156–162 МГц. Для точного анализа характеристик сигнала применялись спектроанализаторы, обеспечивающие измерение амплитудно-частотного спектра принимаемых и передаваемых сигналов. Дополнительно использовались GPS-приемники для точного определения координат точек измерений, что позволяло учесть влияние рельефа и удаленности от берега на уровень сигнала.
Методика эксперимента включала два основных этапа. На первом этапе антенны устанавливались в стационарных точках на побережье и на борту судна с измерением уровня сигнала на разных расстояниях и в различных направлениях. Для оценки влияния рельефа применялись модели сигналов, отраженные от горных склонов и возвышенностей, что позволило выявить зоны «радиотени» и области с минимальными потерями. На втором этапе проводились мобильные измерения, при которых судно с установленной антенной перемещалось по заранее заданным маршрутам в условиях переменной глубины и ветрового волнения. Это позволило оценить влияние динамических факторов, таких как качка судна и изменение уровня моря, на качество радиосвязи.
Результаты измерений показали, что штыревые антенны демонстрируют стабильное качество связи на открытой воде, однако подвержены значительным потерям сигнала в гористых зонах из-за ограниченной способности к компенсации отраженных волн. Антенны с запирающим стаканом показали лучшую устойчивость к влиянию препятствий благодаря более направленной диаграмме излучения, что особенно важно для использования в сложных условиях рельефа. Кроме того, высота установки антенны оказалась критически важным фактором: при увеличении высоты мачты на каждые 2 метра радиус эффективной связи возрастал в среднем на 10–12 %, что соответствует теоретическим расчетам для УКВ-диапазона.
Амурский залив, расположенный на северо-западе залива Петра Великого, представляет собой уникальный морской регион с разнообразным рельефом побережья, включающим гористые участки, возвышенности и сложные мелководные зоны, что создает дополнительные сложности для работы УКВ-радиосвязи. Основной целью исследования было оценить влияние конструктивных параметров антенн и условий эксплуатации на стабильность и дальность передачи сигналов в этих условиях.
Для проведения экспериментов использовались два основных типа антенн: штыревые антенны и антенны с запирающим стаканом. Штыревые антенны, представляющие собой вертикальные излучатели длиной от 1 до 2,5 метров, выполнены из материалов, устойчивых к коррозионному воздействию морской среды, таких как анодированный алюминий и стеклопластик. Этот тип антенн обеспечивает равномерную всенаправленную диаграмму излучения, что делает их особенно эффективными для судов, находящихся на открытых акваториях. Антенны с запирающим стаканом имеют более сложную конструкцию, включающую полуволновый вибратор и согласующий элемент, что позволяет уменьшить коэффициент стоячей волны и повысить эффективность передачи сигнала, особенно в условиях, где наблюдаются значительные отражения от окружающих объектов.
Горный рельеф северо-западного побережья Амурского залива характеризуется значительными высотными перепадами и плотным растительным покровом. Эти факторы создают препятствия для прямой линии распространения УКВ-сигналов, что приводит к многократным отражениям, дифракции и затуханию радиоволн. Для исследования влияния этих факторов антенны размещались на высотах от 5 до 15 метров над уровнем воды. Результаты показали, что увеличение высоты установки антенны на каждые 5 метров повышало уровень принимаемого сигнала на 15–20 %, что соответствует расчетным данным для диапазона частот 156–162 МГц. Однако при высоте ниже 5 метров сигнал значительно ослабевал из-за экранирующего эффекта горных образований.
Мелководные зоны, которые преобладают в северной части залива, также влияют на качество радиосвязи. Эти участки с глубинами от 10 до 15 метров обладают высокой электропроводностью из-за соленой воды, что приводит к изменению угла наклона и поляризации радиоволн. Эксперименты показали, что потери сигнала на мелководье возрастали на 12–15 % по сравнению с глубоководными участками. Этот эффект был наиболее выражен в зонах с активными приливными течениями, где уровень воды и электромагнитные характеристики среды значительно варьировались.
Для измерения параметров сигнала использовались профессиональные УКВ-радиостанции с регулируемой мощностью передачи до 25 Вт и спектроанализаторы для точной оценки частотно-амплитудных характеристик принимаемых сигналов. Измерения проводились как в стационарных точках, так и в движении. В стационарных условиях анализировалось качество сигнала на разных расстояниях и в различных направлениях относительно источника. При движении судна оценивались динамические изменения качества связи, связанные с качкой, ветровым волнением и изменениями глубины. Результаты мобильных измерений показали, что при скорости судна до 10 узлов потери сигнала оставались минимальными, тогда как при скорости выше 15 узлов наблюдались значительные отклонения от оптимальных характеристик, обусловленные вибрацией мачты и отклонением антенны от вертикальной оси.
Особое внимание уделялось взаимодействию сигналов с окружающей средой. В условиях гористого побережья было выявлено, что наибольшие помехи создаются при отражении радиоволн от вертикальных скалистых поверхностей. Антенны с запирающим стаканом, благодаря узкой направленности диаграммы излучения, показали лучшие результаты в таких условиях, обеспечивая на 10–15 % более стабильный сигнал по сравнению с штыревыми антеннами. В открытых акваториях эти различия сглаживались, и оба типа антенн демонстрировали сопоставимые характеристики.
Влияние погодных условий, включая сильные ветры и осадки, также изучалось в ходе экспериментов. Ветры, превышающие 15 м/с, вызывали отклонение мачт с установленными антеннами, что приводило к временному снижению уровня сигнала до 10 %. Антенны, установленные на гибких мачтах, демонстрировали меньшую устойчивость к этим факторам, что указывает на необходимость жесткого крепления антенн в условиях шторма. В то же время осадки в виде дождя и снега значительно не влияли на характеристики сигнала, поскольку УКВ-диапазон обладает высокой устойчивостью к таким помехам.
Исследование влияния конструкции антенн УКВ-радиосвязи на качество передачи сигналов в условиях гористой местности и мелководья Амурского залива представляет собой актуальную задачу в области обеспечения безопасности судоходства и навигации. Амурский залив, расположенный в северной части залива Петра Великого, характеризуется сложным рельефом побережья, разнообразием гидрологических условий и наличием горных массивов, которые существенно влияют на распространение радиоволн. Основной целью исследования стало выявление зависимости между конструктивными параметрами антенн, их расположением на судне и качеством передачи сигнала в условиях, типичных для данного региона.
Для проведения исследования были выбраны штыревые антенны и антенны с запирающим стаканом. Штыревые антенны представляют собой вертикальные излучатели длиной от 1 до 2,5 метров, выполненные из стеклопластика с медным сердечником или алюминия. Они обеспечивают равномерное всенаправленное излучение, что делает их стандартным выбором для большинства судов. Однако в условиях гористой местности и мелководья штыревые антенны подвержены значительным потерям сигнала из-за многократных отражений радиоволн от поверхности воды, скал и растительности. Антенны с запирающим стаканом, включающие в свою конструкцию полуволновый вибратор и согласующий элемент, обеспечивают узкую направленную диаграмму излучения. Это позволяет уменьшить коэффициент стоячей волны, снизить потери сигнала и повысить его стабильность в сложных рельефных условиях.
Географические особенности исследуемого региона включают гористое побережье с крутыми утесами и возвышенностями, что создаёт зоны «радиотени», в которых сигнал ослабляется или полностью пропадает. В северной части залива преобладают мелководные участки с глубинами от 10 до 15 метров, где высокопроводящая морская вода и изменяющийся рельеф дна оказывают существенное влияние на характеристики радиоволн. Дополнительными факторами являются приливно-отливные явления, которые изменяют уровень воды и параметры отражения радиоволн, а также сильные ветры и волны, вызывающие колебания судов и отклонение антенн от вертикали.
Методика исследования включала установку антенн на различных высотах — от 5 до 15 метров над уровнем воды, что позволило оценить влияние высоты размещения на качество связи. Увеличение высоты антенны на каждые 5 метров обеспечивало рост дальности связи на 10–15 %, что связано с уменьшением влияния рельефа и расширением зоны прямой видимости. Эксперименты проводились в стационарных и мобильных условиях. В стационарных измерениях фиксировались параметры сигнала в заранее определённых точках, расположенных на побережье и в акватории, для оценки уровня затухания и отражений. В мобильных измерениях судно перемещалось по заданным маршрутам с использованием GPS-навигации для точной фиксации координат. Это позволило изучить изменения уровня сигнала в зависимости от глубины, скорости движения судна и изменяющихся гидрологических условий.
Для измерений использовались УКВ-радиостанции с мощностью передачи до 25 Вт, спектроанализаторы для оценки частотно-амплитудных характеристик сигнала и геодезическое оборудование для картографирования зон связи. Анализ данных показал, что штыревые антенны обеспечивают высокий уровень сигнала на открытой воде, но в условиях гористого рельефа уровень потерь увеличивался на 20–30 %. Антенны с запирающим стаканом, благодаря своей направленной диаграмме излучения, продемонстрировали меньшую подверженность влиянию отражённых волн, что позволило уменьшить потери на 15–20 % по сравнению с штыревыми антеннами.
Влияние материала конструкции антенны также оказалось существенным. Антенны из стеклопластика с медным сердечником обеспечивали более стабильный сигнал в условиях высокой влажности и обледенения, что характерно для дальневосточных акваторий в зимний период. Алюминиевые антенны, несмотря на их высокую механическую прочность, продемонстрировали снижение коэффициента усиления сигнала на 5–7 % из-за меньшей проводимости материала. Кроме того, в условиях мелководья и сильного ветрового волнения наблюдалось отклонение антенн от вертикали, что вызывало временные потери связи. Использование амортизирующих креплений и стабилизаторов частично компенсировало этот эффект, снижая амплитуду колебаний антенн.
Дополнительно были исследованы взаимные помехи между навигационным и связным оборудованием на судне. Установлено, что минимальное расстояние между антеннами УКВ-радиосвязи и радиолокационными станциями должно составлять не менее 3 метров для предотвращения электромагнитных наводок. В условиях сложного рельефа и интенсивного движения судов такие помехи могут вызывать временные перебои в связи, что требует тщательной оптимизации расположения оборудования на судне.
Для гористых районов рекомендуется использование антенн с узкой диаграммой направленности, размещённых на высоте не менее 10 метров. На мелководье предпочтительно применение штыревых антенн с антикоррозийным покрытием, обеспечивающих стабильную связь на ближних дистанциях. Совокупность этих факторов позволяет значительно повысить качество радиосвязи и обеспечить безопасность судоходства в сложных условиях Амурского залива.
Литература:
- Алиев Р. Т., Гордеев С. А. Современные методы повышения эффективности УКВ-радиосвязи на морских судах. — М.: Морская техника, 2021. — 212 с.
- Захаров В. А. Антенны морских судов: особенности конструкции и эксплуатации. — СПб: Судостроение, 2020. — 184 с.
- Бекетов И. В., Коломиец А. Н. УКВ-связь в условиях сложного рельефа: проблемы и пути решения // Радиосвязь и навигация. — 2021. — Т. 12, № 2. — С. 85–97.
- ITU Radiocommunication Sector. Handbook on Maritime Mobile and Radiodetermination Services. — Geneva: ITU, 2019. — 298 p.
- Johnson R. C., Jasik H. Antenna Engineering Handbook. — 4th ed. — New York: McGraw-Hill, 2017. — 1234 p.
- Богомолов В. И., Соколова Т. А. Радиосвязь на морских судах: справочник. — Владивосток: Дальневосточный государственный университет, 2018. — 256 с.
- Skolnik M. I. Radar Handbook. — 3rd ed. — New York: McGraw-Hill, 2008. — 1350 p.
