Поверхностные электромагнитные волны, бегущие вдоль железнодорожного полотна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поверхностные электромагнитные волны, бегущие вдоль железнодорожного полотна

Старший преподаватель Г.К.Актуреева

Ранее сообщалoсь[1] о наблюдении в лабораторных условиях поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) сверхвысоких частот на расстоянии до 80 м в открытом волноводе, в качестве которого выбиралась лента поролона с тонким слоем алюминия на поверхности, изогнутая в плоскости распространения на 1800, а также в поверхностных (открытых) волноводах различной конфигурации [2]. По такой же методике, с теми же возбуждающими и приёмными антеннами [3] был проведён натурный эксперимент на заброшенной железнодорожной ветке: распространение поверхностных электромагнитных волн наблюдалось на частоте 368 МГц по плавно изогнутому (радиус кривизны 150м) рельсу на расстоянии до 140м.

Экспериментальный метод

В опыте измерялось распределение вдоль трассы (рельса или двух рельсов) электромагнитного поля, возбуждаемого излучателем, установленным на стальном рельсе. Поверхностные электромагнитные волны возбуждались и принимались одинаковыми антеннами оригинальной конструкции (диполь), описанными в работе [3]. Возбуждающая антенна подсоединялась к генератору СВЧ и устанавливалась на рельсе неподвижно. Приёмная антенна подключалась к анализатору спектра и от возбуждающей антенны передвигалась по рельсу вдоль него с шагом 0,6м. В каждой точке (всего 230) измерялось ослабление сигнала относительно первоначального значения, полученного в месте нахождения возбуждающей антенны. Распределение поля вдоль трассы снималось на частоте 368 МГц (длина волны 0,8м). электромагнитный волна железнодорожный

Для проверки прохождения по рельсу поверхностной, а не пространственной вблизи него, волны проводился контрольный эксперимент: одна из антенн по очереди или обе вместе снимались с рельса и располагались на земле в 0,5м от рельса с внешней стороны железнодорожного полотна - во всех случаях сигнал на приёмной антенне отсутствовал. На криволинейной трассе, когда приёмник находится вне пределов прямого луча излучателя и исключается приём отраженных сигналов пространственной волны, наличие сигнала на приёмной антенне свидетельствует о прохождении по рельсу поверхностной волны, следующей за его кривизной.

Высота локализации поля волны в воздухе определялась как уменьшение интенсивности сигнала в «е» (основание натуральных логарифмов 2,7) раз при подъёме приёмной антенны над рельсом.

Центральной проблемой ПЭВ является эффективность их возбуждения в различных средах, которая определяется как отношение мощности, «зака-чанной» в волну, к мощности, подведённой к возбуждающей антенне. Нами созданы антенны [3] с коэффициентом эффективности 0,8; а также разработана методика определения эффективности возбуждения ПЭВ любыми антеннами, расположенными на границе раздела проводящей среды с диэлектриком; создан и опробован соответствующий математический аппарат [4].

Параметры экспериментального участка (железнодорожного полотна):

-расстояние между рельсами 1,524 м;

-расстояние между деревянными шпалами 0,60 м;

-длина рельса 12,5 м; ширина верхней плоской части рельса 0,055 м.

Оборудование: Источник -генератор сигналов R&SSML03(мощность на выходе генератора 100 мВт); приемник - анализатор спектра R&S®ESCI. Генератор питался от аккумулятора автомобиля и подключался через повышающий трансформатор 12/220 вольт. Приемная и передающая антенны позволяли возбуждать и принимать продольную компоненту электрического поля поверхностной электромагнитной волны, направленную вдоль рельса.

Результаты

Графики ослабления интенсивности поверхностной электромагнитной волны в зависимости от расстояния представлены на рис.1-3.

Рис.1-3.Ослабление интенсивности ПЭВ в зависимости от расстояния

при распространении по плавно изогнутому железнодорожному рельсу.

Красная линия - теория. Чёрные точки - эксперимент.

Высота локализации поля ПЭВ в воздухе над рельсом равнялась 1,5 м. Локализация поля в рельсе соответствовала толщине обычного скин-слоя.

Наблюдалось «прилипание» поля волны к поверхности рельса, что проявлялось в следовании за его кривизной.

На различных участках трассы ослабление сигнала менялось. Наименьшее значение ослабления составило 0,2 дБ/м.

Прохождение сигнала ПЭВ по рельсам, уложенным на бетонные шпалы, было несколько хуже, чем по рельсам на деревянных шпалах, что объясняется поглощением электромагнитного поля в бетоне.

Бегущая поверхностная волна проходила через стыки рельсов с незначительным ослаблением.

На расстоянии 0.5 м сбоку от рельса поле волны ниже уровня фона.

Измерения на параллельном рельсе дали те же результаты.

Был проведён эксперимент с одновременным параллельным возбуждением ПЭВ на обоих рельсах: две идентичные антенны устанавливались на рельсах напротив друг друга на расстоянии 1,5м (ширина ж.д. полотна); они подключались к одному генератору и возбуждали поверхностные волны в противофазе на частоте 440 МГц (длина волны 0.7м). В результате совместного действия, при той же мощности генератора, диаграмма направленности двух излучателей заметно сузилась, по сравнению с диаграммой направленности одного излучателя, а дальность распространения поверхностных волн вдоль рельсов достигла 1200 м.

Обсуждение результатов

Опыт хорошо соотносится с теорией ПЭВ. 

Небольшие колебания экспериментальных точек относительно теоретической прямой объясняются интерференцией пространственной и поверхностной волн, совместно возбуждаемых источником, расположенным на поверхности раздела двух сред.

В картине спада поля прослеживаются ближняя зона быстрого (экспоненциального) спада поля волны и дальняя зона медленного плавного спада.

Характер спада поля поверхностной волны вдоль изогнутого ж.д. рельса совпадает с таковым на изогнутой металлической ленте [1].

Поле поверхностной волны над металлическим рельсом сильнее прижато к поверхности (две длины волны), локализовано лучше, чем над океанской водой (5-7 длин волн в зависимости от частоты) [5].

Ослабление интенсивности ПЭВ при прохождении через стыки рельсов объясняется незначительной потерей энергии при частичной трансформации поверхностной волны в пространственную на разрывах волноведущей поверхности.

В натурном эксперименте осуществлялся режим бегущей волны. Для поверхностных электромагнитных волн рельс представляет собой открытый волновод.

Заключение

Эксперимент показал, что железнодорожное полотно может рассматриваться как открытый волновод, линия связи и (или) антенна бегущих поверхностных электромагнитных волн.

Список литературы

1. В.Н.Дацко, М.А. Суслов «Поверхностные электромагнитные волны сверхвысоких частот в открытом волноводе». // «Радиотехника и электроника», 2013,т.58, №5, с 503-506.

2. В.Н.Дацко «Поверхностные электромагнитные волны на металле» // «Радиотехника и электроника», 2014, т.59, №5, с. 452-457.

3. В.Н.Дацко «Антенна ПЭВ» Инженерная физика 2013, №8, стр.75-78

4. Ю.В.Кистович “Поверхностные электромагнитные волны Ценника СВЧ диапазона на соленой воде” Дисс. кандидата физ-мат. наук, Москва, ВНИИФТРИ, 1988.

5. В.Н.Дацко «Новые типы поверхностных электромагнитных волн в проводящих средах» Дисс. доктора физ.-мат. наук, Москва, ИОФ РАН, 2000.

Размещено на Allbest.ru