Исследование и разработка эффективных электрически малых антенн для каналов связи диапазона средних волн в горных выработках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Колесников Андрей Викторович

• Колесников Андрей Викторович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Колесников Андрей Викторович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ проблемы и бюджет канала связи в полупроводящих средах

1.1. Состояние вопроса связи сквозь полупроводящие среды

1.1.1. Характеристики линий связи сквозь горную породу

1.1.2 Современная аппаратура СДВ связи сквозь породу

1.1.3 Аппаратура связи диапазона средних волн

1.1.4 Краткая характеристика проблемы эффективности ЭМА

1.1.5 Анализ методов моделирования ЭМА в диапазоне СВ

1.2 Анализ бюджета канала связи в полупроводящей среде

1.2.1 Основные определения и расчётные соотношения

1.2.2. Выбор частоты радиолиний

1.2.3 Влияние климато-геофизических факторов на бюджет канала связи

1.3 Выводы по главе

Глава 2 Повышение эффективности рамочных электрически малых антенн

2.1 Физическое моделирование и измерение характеристик рамочных антенн в стенде «кольца Гельмгольца»

2.2 Принцип работы рамочной коаксиальной антенны

2.3 Методика исследования и разработки РКА

2.4 Повышение эффективности РКА и сравнение эталонной резонансной рамочной антенной

2.5 Выводы по главе

Глава 3 Повышение эффективности спиральных электрически малых антенн

3.1 Калориметрический метод измерения КПД ЭМА

3.2 Моделирование спиральной электрически малой антенны

3.3 Разработка технологии производства спиральных антенн

3.3.1 Резонансные спиральные антенны на каркасе

3.3.2 Разработка технологии производства СА в монолитном каркасе

3.4 Выводы по главе

Глава 4 Экспериментальные исследования антенн в лабораторных и полевых

условиях

4.1 Лабораторные измерения в ближней зоне антенн

4.3 Испытания в горных выработках

4.3.1 Концепция обеспечения аварийной связью

4.3.2 Испытания в руднике

4.4 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Акты об использовании результатов диссертации

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка эффективных электрически малых антенн для каналов связи диапазона средних волн в горных выработках»

Актуальность работы

Последние шесть десятилетий добыча полезных ископаемых возрастала (на каждого жителя планеты) от 12,6 до 19,6 % в год, удваиваясь каждые десять лет [1]. Данная тенденция неразрывно связана с потребностью организации устойчивой и доступной связи в подземных горных выработках, с увеличением их протяженности и глубины, развитием объемно-планировочных решений в общем объеме шахты, повышением требований к уровню автоматизации и безопасности горных работ. На данный момент широкое применение нашли [2]:

- каналы проводной связи со стационарно установленными пунктами типовой телефонной электросвязи;

- каналы связи диапазона ультракоротких волн (УКВ), построенные или на базе специальных излучающих кабелей (принимающих и излучающих электромагнитные волны через специальные отверстия по всей длине), либо с использованием беспроводных технологий и расположенных через каждые 300-500 метров узлов связи, соединенных информационными кабелями;

- каналы связи через направляющие линии (диапазон средних и коротких волн), в основе которых физический эффект распространения электромагнитной волны вдоль металлической направляющей линии, представляющей собой специально уложенный провод или протяженный металлический проводник шахтной инфраструктуры (троллейные линии, кабели электропитания, металлические трубы и т.п.);

- односторонние каналы передачи информации сквозь породу (диапазон от 10 Гц до 100 кГц), построенные с использованием размещаемых на поверхности земли радиостанций с передающими электрическими антеннами, электродными антеннами или рамками с габаритами в несколько десятков или сотен метров и персональных радиоприёмников горнорабочих для аварийного

оповещения с приемными ферритовыми антеннами с функцией поиска горнорабочих при аварии и под завалом.

Технологии связи УКВ и проводной электросвязи относят к первичным, а технологии оповещения сквозь породу и связи через направляющие линии -ко вторичным. Такое деление связано с функциональными возможностями технологий: первичные каналы позволяют строить системы связи и передачи информации между горнорабочими и центром управления, электронное слежение за персоналом, передачу данных от стационарного, подвижного и горнопроходческого обрудования. При возникновении аварийной ситуации высока вероятность обрыва кабельной инфраструктуры, из-за чего отрезок подземного сооружения может оказаться отрезанным от первичных систем связи.

С целью обеспечения возможности обеспечения информацией об аварии горнорабочих, оказавшихся в отрезанном участке, используются вторичные каналы передачи информации сквозь породу. В случае обрыва кабельной инфраструктуры, они оказываются единственными. Горняки при этом получают текстовую информацию о необходимых для спасения действиях. Для этого используют ближние поля антенн больших габаритов диапазона сверхдлинных волн (СДВ), выделяя каналы с антеннами электрического и магнитного типов и с антеннами в виде кабелей, проложенных в шахте или на земле, протяженностью до нескольких километров. Для построения нисходящего канала в шахтах используются достаточно большие мощности (от нескольких сотен до тысяч Вт), для восходящего канала требуются стационарные радиостанции с антеннами больших габаритов (десятки метров). При этом в шахтах, опасных по взрыву, ограничена мощность подземной переносной аппаратуры до 6 Вт. Поскольку эффективность антенного оборудования СНЧ при таких габаритах крайне низкая, в таких условиях, как правило, возможно только одностороннее оповещение сверху

вниз. Для повышения эффективности канала беспроводной связи в полупроводящей среде предлагается использовать электрически малые антенны (ЭМА) резонансного типа, в которых по результатам исследований необходимо найти компромисс между величиной затухания излучаемой электромагнитной волны (ЭМВ) на радиотрассе и их коэффициентом полезного действия (КПД).

Низкая эффективность ЭМА, т.е. антенн, размеры которых более чем на порядок меньше минимальной рабочей длины волны, является одной из основных проблем в радиотехнике и беспроводной связи для организации подземного канала распространения радиоволн. Поиск решения данной проблемы осуществляется различными способами в разных диапазонах частот ЭМВ, используя электромагнитные явления и радиофизические эффекты. К сожалению, в диапазоне средних волн (СВ) прогресс в данном направлении идёт очень медленно, поэтому получили распространение либо несимметричные вибраторы, либо рамочные антенны. Использование рамочных антенн сводится к решению проблемы пробоя компенсирующего реактивность конденсатора. В результате чего данные решения оказываются громоздкими либо имеют малую эффективность из-за малой добротности конденсатора, часто такие антенны становятся не перестраиваемыми в широком диапазоне, либо со значительным спадом эффективности к границам диапазона. Вибраторные антенны также требуют компенсации собственного ёмкостного сопротивления индуктивным элементом, который в указанных диапазонах будет иметь большие габариты и не стабильные параметры. Использование трансформаторов с ферритовыми сердечниками также приводит к потерям и ограничению по подводимой мощности к антенне.

Степень разработанности темы исследования

Основоположниками теоретических основ построения ЭМА являются С.А. Щелкунов, H.A. Wheeler, R.F. Harrington, R.E. Collin, S. Rotshild, R.L.

Fante, в указанном направлении также работали Г.З. Айзенберг, Ю.К. Муравьев, В.Ю. Бабков, В.П. Кисмерешкин, В.В. Овсянников, Л.С. Казанский, Б.Л. Коган, J.E. Storer, D.M. Grimes, T.S. Cory, G.S. Smith.

В настоящее время, развивают теорию ЭМА К.Н. Климов, А.Л. Бузов, В. П. Беличенко, G.A.E. Vandenbosch, A.D. Yaghjian, S.R. Best, A.A.H. Azremi и др. Их работы носят теоретический и прикладной характер и раскрывают физические аспекты технической электродинамики и антенн.

Над вопросами, связанными с исследованием и разработкой каналов передачи электромагнитных волн сквозь полупроводящую среду, работают Г.Н. Щербаков, А.В. Николаев, Г.Я. Шайдуров, А.А. Щитников, Е.А. Кохонькова, J.D. Pena Carreno, A.N. Baretto, J. Braga и др.

Изученность важнейших радиоволновых явлений в ближней зоне электрически малых антенн, а также радиофизических эффектов и вопросов, связанных с распространением электромагнитной волны вдоль направляющих линий, позволила создать аппаратуру шахтной связи диапазона средних волн. Центрами компетенций и производителями средневолновой аппаратуры являются научно-производственные организации КВ-СВЯЗЬ (РФ), МобилРадио (РФ), Промимпэкс (РФ), Kutta (США).

Объект исследования - электрически малые антенны.

Предмет исследования - эффективность электрически малых антенн резонансного типа.

Целью диссертационной работы является исследование эффективности резонансных электрически малых антенн в горных выработках, и разработка технологии их производства, обеспечивающей повторяемость параметров антенн при серийном изготовлении.

Поставленная цель работы достигается решением ряда научных задач:

1. Анализ каналов связи сквозь полупроводящую среду (грунт и горные породы) с учётом различной степени влажности, пористости, и выбор диапазона рабочих частот канала связи сквозь горную породу.

2. Обоснование применяемых методик оценки эффективности электрически малых антенн в лабораторных условиях.

3. Обоснование и исследование новых электрически малых антенн, пригодных для построения каналов связи сквозь полупроводящую среду.

4. Моделирование и разработка электрически малых антенн, наиболее эффективных для использования в условиях горных выработок.

5. Разработка технологии изготовления электрически малых антенн, обеспечивающей устойчивость к неблагоприятным факторам эксплуатации, стабильность характеристик, повторяемость параметров при серийном изготовлении.

6. Проведение натурных испытаний электрически малых антенн для валидации полученных результатов.

Методы исследований

При проведении исследований использовались методы математического и физического моделирования электрически малых антенн, методы калориметрии в радиоизмерениях, способы радиоизмерений в условиях, эквивалентных условиям эксплуатации средств подземной связи, аналитического моделирования канала подземной связи, натурных трассовых испытаний в условиях горных выработок.

Научная новизна

1. Научно обоснован выбор рабочих частот для проектирования аппаратуры шахтной связи сквозь горную породу и вдоль горизонтов горной выработки, учитывающий влияние климато-геофизических факторов и КПД электрически малых антенн в диапазоне от 1 кГц до 10 МГц.

2. Получены результаты исследований новой конструкции рамочной коаксиальной электрически малой антенны, состоящей из коаксиального излучающего элемента и схемы настройки и согласования, включающей настроечные катушки индуктивности и настроечные конденсаторы переменной емкости, подключенные с противоположных концов излучающего элемента, причем один из настроечных конденсаторов включен между оболочкой излучающего элемента и заземлением, второй настроечный конденсатор включен между внутренним проводником излучающего элемента и разделительным конденсатором, одна катушка индуктивности включена между внутренним проводником излучающего элемента и заземлением, другая катушка индуктивности включена между оболочкой излучающего элемента и разделительным конденсатором, отличающейся тем, что коаксиальный излучающий элемент содержит несколько параллельных коаксиальных рамок, намотанных в один или несколько витков так, что с одного конца оболочки рамок электрически соединены друг с другом, а между внутренними проводниками и заземлением включены дополнительные катушки индуктивности, с другой стороны оболочки рамок электрически также соединены друг с другом, а между внутренними жилами и разделительным конденсатором включены дополнительные настроечные конденсаторы переменной емкости.

3. Получены результаты исследований новой конструкции резонансной спиральной электрически малой антенны, состоящей из первичной катушки индуктивности, подключенной к точке питания, и вторичной спиральной катушки индуктивности, которая связана индуктивной связью с возбуждающей ее первичной катушкой, отличающейся тем, что вторичная катушка индуктивности имеет плоскую спиральную намотку проводником, состоящую из нескольких слоев и витков, намотанных последовательно.

4. Разработана новая технология изготовления спиральных электрически малых антенн, состоящих из одного или нескольких слоев и рядов, в котором сначала соединяются последовательно витки от первого слоя к последнему, затем - от внутреннего ряда к наружному, отличающаяся тем, что форма и конструкция каркаса выполнены из термопластичного диэлектрика с низким тангенсом угла диэлектрических потерь и формируются в процессе укладки провода в результате разогрева термопластичного диэлектрика до вязкотекучего состояния и его подачи в зону укладки провода с последующим спеканием, а подача провода и процесс укладки обеспечиваются устройством позиционирования.

5. Впервые измерены параметры новых конструкций электрически малых антенн и получены следующие значения: для рамочной коаксиальной электрически малой антенны КПД = 3,6 % при добротности Qo,5 = 100 и ka = 0,01 на частоте 1 МГц, для спиральной электрически малой антенны КПД = 4 % при Qo,5 = 128 и ka = 0,01 на частоте 1 МГц, КПД = 9 % при Qo,5 = 146 и ka = 0,02 на частоте 1 МГц, КПД = 11,6 % при Qo,5 = 86 и ka = 0,025 на частоте 1,9 МГц, что значительно превосходит выпускаемые промышленно антенны для подземной связи электрического типа, обладающие КПД = 0,9% при Qo,5 = 20 и ka = 0,01 на частоте 1 МГц.

Теоретическая значимость работы

Разработана аналитическая модель канала распространения электромагнитных волн сквозь горную породу, учитывающая влияние влажности и пористости обводненных пород и КПД электрически малых антенн.

Практическая значимость работы

1. Разработан стенд для калориметрического измерения КПД электрически малых антенн.

2. Разработана и запатентована рамочная коаксиальная электрически малая антенна.

3. Разработана и запатентована спиральная электрически малая антенна.

4. Разработан и запатентован способ изготовления катушек индуктивности для спиральной электрически малой антенны по аддитивной технологии, разработан и запатентован роботизированный станок для изготовления электрически малых антенн аддитивным способом, содержащий станину, размещенные на ней поворотный стол с механизмом привода, портал и механизм автоматического управления, отличающийся тем, что поворотный стол состоит из двух пластин, разделенных проставками-распорками и термоизоляционным материалом, поворотный стол оборудован устройством подогрева верхней пластины, при этом в пространство между пластинами установлено зубчатое колесо для ременной передачи механизма привода поворотного стола, на портал установлен экструдер, снабженный формующей головкой с фильерой для пропускания провода через сопло в процессе экструзии полимера.

5. Экспериментально исследована эффективность спиральных электрически малых антенн диапазона средних волн в условиях горных выработок для организации двухсторонней связи сквозь полупроводящую среду.

Положения, выносимые на защиту

1. Показано на основе аналитической модели канала распространения электромагнитных волн с учётом КПД электрически малых антенн, что наилучшим для передачи радиосигналов в полупроводящих средах является диапазон частот от 350 кГц до 1 МГц.

2. Создана новая конструкция резонансной рамочной коаксиальной электрически малой антенны, состоящая из коаксиального излучающего элемента и схемы настройки и согласования, отличающаяся тем, что

коаксиальный излучающий элемент содержит несколько параллельных коаксиальных рамок, намотанных в один или несколько витков так, что с одного конца излучающего элекента оболочки рамок электрически соединены друг с другом, а между внутренними проводниками и заземлением включены дополнительные настроечные катушки индуктивности, с другой стороны коаксиального излучающего элемента оболочки рамок электрически также соединены друг с другом, а между внутренними жилами и разделительным конденсатором включены дополнительные настроечные конденсаторы переменной емкости.

3. Создана новая конструкция резонансной спиральной электрически малой антенны, состоящей из первичной катушки индуктивности, подключенной к точке питания, и вторичной спиральной катушки индуктивности, которая связана индуктивной связью с возбуждающей ее первичной катушкой индуктивности, отличающаяся тем, что вторичная катушка имеет плоскую спиральную намотку проводником, состоящую из нескольких слоев и витков, намотанных последовательно.

4. Разработан способ изготовления катушек индуктивности спиральных электрически малых антенн, состоящих из одного или нескольких слоев и рядов, в котором сначала соединяются последовательно витки от первого слоя к последнему, затем - от внутреннего ряда к наружному, отличающийся тем, что форма и конструкция каркаса выполнены из термопластичного диэлектрика с низким тангенсом угла диэлектрических потерь и формируются в процессе укладки провода в результате разогрева термопластичного диэлектрика до вязкотекучего состояния и его подачи в зону укладки провода с последующим спеканием, а подача провода и процесс укладки обеспечиваются устройством позиционирования. Данный способ позволяет минимизировать потери, повысить номинальную рабочую мощность и

добиться высокой повторяемости параметров при серийном изготовлении спиральных электрически малых антенн.

5. Проведены измерения новых конструкций электрически малых антенн и получены следующие параметры: рамочная коаксиальная электрически малая антенна имеет КПД = 3,6 % при добротности Qo,5 = 100 и ka = 0,01 на частоте 1 МГц, спиральная электрически малая антенна имеет КПД = 4 % при Qo,5 = 128 и ka = 0,01 на частоте 1 МГц, КПД = 9 % при Qo,5 = 146 и ka = 0,02 на частоте 1 МГц, КПД = 11,6 % при Qo,5 = 86 и ka = 0,025 на частоте 1,9 МГц, что значительно превосходит выпускаемые промышленно антенны для подземной связи электрического типа, обладающие КПД = 0,9% при Qo,5 = 20 и ka = 0,01 на частоте 1 МГц.

Достоверность научных положений

Достоверность научных положений основана на корректном использовании методов физического и математического моделирования, корректном проведении натурных испытаний в условиях горной выработки.

Реализация и внедрение результатов исследований

Основная часть диссертационных исследований была использована в НИР и ОКР НПООО «КВ-СВЯЗЬ» и ООО «АТМИСС»: при разработке комплекса подземной беспроводной двусторонней связи, при разработке комплекса для аддитивного изготовления спиральных катушек индуктивности, в ОКР «КОНТЕЛ-1», при разработке комплексного проекта «Технология производства инновационных комплексов коллективного спасения персонала (вместимостью до 40 человек и временем защиты до 72 часов), обеспечивающих повышение уровня промышленной безопасности при добыче полезных ископаемых подземным способом», входящего в перечень современных технологий Министерства промышленности и торговли Российской Федерации.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на:

Научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес», посвященной Дню радио (Омск, 2013; Омск, 2014; Омск, 2015); V всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!» (Омск, 2013); IX международной IEEE конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2014); международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск, 2020); IEEE conference proceedings «2021 Systems of signals generating and processing in the field of on board communications» (Москва, 2021); III международной научной конференции ведущих научных школ в области радиолокации, радионавигации и радиоэлектронных систем передачи информации «Шарыгинские чтения» (Томск, 2021), XVI международной отраслевой научно-практической конференции «Технологии информационного общества» (Москва, 2022).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 25 научных работ, из них 3 патента на изобретения, 1 патент на полезную модель, 3 научных статьи - в журналах из перечня изданий ВАК (2.2.14, технические науки), 4 - в других изданиях ВАК, 4 научных статьи - в изданиях, входящих в международные базы данных WoS / Scopus.

Личный вклад автора

Результаты диссертационного исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту, получены автором лично.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Диссертация соответствует специальности

2.2.14. Антенны, СВЧ устройства и их технологии:

п. 3. Исследование и разработка новых антенных систем, активных и пассивных микроволновых устройств, в том числе управляющих, фазирующих, экранирующих и других, с существенно улучшенными параметрами (положения №2, №3 и №5).

п. 6. Разработка и исследование новых технологий производства, настройки и эксплуатации антенных систем (положение №4).

п. 10. Исследования распространения радиоволн на различных трассах в природных и искусственных средах и влияние условий распространения и вида подстилающей поверхности на характеристики антенн (положение №1).

Глава 1. Анализ проблемы и бюджет канала связи в полупроводящих средах

1.1. Состояние вопроса связи сквозь полупроводящие среды

Горные выработки подземных сооружений представляют собой расположенные горизонтально или с некоторым уклоном туннели, поперечными размеры которых составляют от нескольких единиц до десятков метров. Глубина шахт и рудников может достигать нескольких сотен и тысяч метров с несколькими горизонтами. С целью коммуникации и передачи информации о проводимых работах между персоналом, диспетчерской, а также в случае возникновения аварийных ситуаций, требуется организация каналов передачи информации. Поиск возможностей их реализации проводился в различных диапазонах ЭМВ в течение нескольких последних десятилетий. Первые работы относятся к периоду первой половины XX века ипроводились в СВ, КВ и УКВ диапазонах [3-10]. На данный момент выделяют первичные (для постоянной работы) и вторичные (для связи в аварийных ситуациях) каналы связи [11, 12]. Для вторичных каналов связи выбраны сигналы достаточно низких частот (от 10 Гц до 1000 кГц) из-за их малого затухания в полупроводящих породах. С постепенным увеличением глубины горных выработок возрастают и технически усложняются требования по аварийной безопасности, соответственно, возрастает и актуальность линий связи через породу.

1.1.1. Характеристики линий связи сквозь горную породу

Протяженность многих горных выработок - несколько сотен метров. Глубина некоторых рудников по добыче золота и алмазов достигает 3х - 4х километров. На рисунке 1.1 показаны условно структуры наклонной и вертикальной выработок.

Рисунок 1.1 - Вертикальная и наклонная выработки [6]

Для ЭМВ горная порода представляет собой полупроводящую среду с различными характеристиками поглощения: более влажные и соленые почвы являются более проводящими. Структура горной породы не однородна по составу, также в ней могут быть расположены подземные течения, соленые озера, газонаполненные пустоты. Для организации подземных каналов связи и при горнопроходческих работах, все особенности строения породы учесть невозможно. По этой причине при физическом моделировании подземные среды относят к полупроводящим, характеризуюя усредненными электрофизическими параметрами: кажущейся диэлектрической проницаемостью Бк и проводимостью Ок. Также может быть использована, плоскослоистая модель, слои которой имеют сильно различные параметры. Проникновение ЭМВ в полупроводящую среду характеризуется волновым числом [13], которое для среды без магнитных потерь выражается как:

к(ш) =

N

£fc - i

Ш£о

(1.1)

где so и цо - электрическая и магнитная постоянные.

Мнимая часть волнового числа соответствуют амплитудной характеристике среды, а вещественная - фазовой. Для многих горных пород диэлектрическая проницаемость изменяется в интервале от 4 до 20, а проводимость - от 10-6 до 1 [4, 5, 9, 14-16]. Характеристики угольных пластов и вмещающей породы имеют особое значение, т.к. угольные шахты

представляют основную опасность для персонала ввиду повышенной вероятности взрыва газовоздушной метансодержащей среды. Электропроводность угля в диапазонах от СДВ до КВ составляет от 10-4 до 101 См/м, а на частотах около 9 ГГц - от 0,1 до 0,75 См/м. В диапазонах от СДВ до КВ диэлектрическая проницаемость угля находится в диапазоне от 10 до 35, а на частоте 9 ГГц - от 3,3 до 4. На рисунке 1.2 представлены частотные зависимости ослабления ЭМВ пород с различными электрофизическими параметрами в диапазоне от 10 Гц до 10 МГц с шагом в один порядок по электропроводности. В некоторых работах диапазон с потенциальной возможностью связи сквозь горную породу называется нижнем окном прозрачности природных сред [5]. Анализируя рисунок 1.2, стоит отметить, что в случае более высокой электропроводности среды предпочтительными с точки зрения ослабления ЭМВ являются более низкие частоты в единицы и десятки Гц. Но затухание поля в среде - не единственный фактор, ограничивающий эффективность подземной связи. Противоположным фактором выступает падение КПД ЭМА из-за уменьшения размеров относительно длины волны с понижением частоты. Вопрос разработки эффективных ЭМА, работающих в горных выработках сквозь природные среды, включает поиск наилучшей конструкции ЭМА, выбор места установки с учётом строения выработки, стойкость к повышенным коррозионным, механическим и климатическим факторам, стабильность работы в большом диапазоне мощностей, и по настоящее время является проблемным.

101 101 10я 107 Частота, Гц

Рисунок 1.2 - Теоретические зависимости ослабления ЭМВ от частоты для пород с

различными параметрами

1.1.2 Современная аппаратура СДВ связи сквозь породу

В настоящее время применяются следующие виды связи сквозь горную породу (ТТЕ-связи): на основе магнитных [17-22] и электродных антенн [2326] (рисунок 1.3), а также - на основе протяженных (в несколько тысяч метров) подземных или наземных СДВ антенн (рисунок 1.4) [4, 26, 27, 28].

е0 цо

^—. ', / ■—^Надземная ^-----1;;___' антенна

£1 / ! 1 \

\ Н

с1 1 \

Л у-- / \

Подземная антенна

еО цО

Надземная антенна

£1 ____у

Л,

-----—у

1

Варианты подземных антенн

а) б)

Рисунок 1.3 - Ближнепольная магнитная (а) и электродная (б) связь через породу

80 М0

сдв

антенна

е1 а!

* Ближнее ) поле

7

Рисунок 1.4 - Система аварийного оповещения с протяженной антенной СДВ

Магнитные комплексы связи сквозь породу основаны на принципе индукционной ближнепольной связи и обычно работают в диапазоне от 3 Гц до 30 кГц (рисунок 1.3-а). Над шахтой на поверхности располагают горизонтально рамочную антенна с несколькими витками и диаметром в несколько десятков метров и более. Например, в [20] предлагается рамка с площадью не менее 3000 м2. Антенна обладает вертикальным магнитным моментом М=N1^, где £ - площадь рамки, I - силе тока, N - количество витков в рамке. Мощность передатчика на поверхности, обычно, несколько сотен Вт. Подземная антенна - также рамка, меньших габаритов. Для приёма в подземных тоннелях могут использоваться ферритовые датчики с высокой чувствительностью магнитного поля, а для передачи - многовитковые рамочные ЭМА без сердечника. Канал из рудника на поверхность организовать много труднее ввиду ограничений допустимых габаритов подземной антенны и ограничения подводимой мощности. Как правило, максимальная дальность связи достигается соосным расположением подземной и наземной рамочных антенн. Мощность передатчиков горнорабочих составляет от 1 до 12 Вт. Стационарные ЭМА в подземных сооружениях делают по возможности больших размеров, но внутреннее пространство туннелей часто не позволяет достичь близкую к круглой форму рамочной антенны. Размещение ЭМА с большим периметром связано также с повышенной вероятностью обрыва ее проводника при обрушении породы. В

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Колесников Андрей Викторович, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Трубецкой, К. Н. Состояние и основные направления освоения ресурсов земных недр // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка, -2020, № 3, с. 8-15. https://doi.org/10.32454/0016-7762-2020-63-3-8-15

2. Федосов, Д.В. Обзор способов организации подземной связи и перспективы использования диапазона средних волн в шахтах / Федосов, Д.В., Николаев, А.В., Колесников, А.В., Лапин, С.Э., Бабенко А.Г. // Труды НИИР, №1, 2022, с. 19-36.

3. Murphy, J. N. Underground Mine Communications / Murphy, J. N., Parkinson, H. D. // Proceeding of the IEEE, - 1978, Vol. 66 (1). URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/1455105 (дата обращения: 06.08.2021).

4. Ржевский, В. В., Коренберг, Е. Б. Рудничная интроскопия и радиосвязь. - М.: Недра, 1978. - 189 с.

5. Корчагин, Ю. А., Саломатов, В. П., Чернов, А. А. Радиосвязь в проводящих средах. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990. - 148 с.

6. Pittman, W. Through-the-earth electromagnetic trapped miner location systems: A review / Pittman, W., Church, R. // Bureau of Mines, - 1985. URL: https://stacks.cdc.gov/view/cdc/9144 (дата обращения: 06.08.2021).

7. Yarkan, S. Underground mine communications: A survey / Yarkan, S., Guzelgoz, S., Arslan, H., Murphy, R. // IEEE Communications Surveys & Tutorials, - 2009, Vol. 11 (3), pp. 125-142. https://doi.org/10.1109/SURV.2009.090309

8. Forooshani, A. E. A survey of wireless communications and propagation modeling in underground mines / Forooshani, A. E., Bashir, S., Michelson, D. G., Noghanian, S. // IEEE Communications Surveys & Tutorials, - 2013, Vol. 15 (4), pp. 1524-1545. https://doi.org/10.1109/SURV.2013.031413.00130

9. Patri, A. Wireless communication systems for underground mines - A critical appraisal / Patri, A., Nayak, A., Jayanthu, Dr. S. // International Journal of

Engineering Trends and Technology (IJETT), - 2013, Vol. 4 (7), pp. 3149-3153. http://www.ijettjournal.org/archive/ijett-v4i7p 174 (дата обращения: 06.08.2021).

10. Bandyopadhyay, L. K. Wireless Communication in Underground Mines. / Bandyopadhyay, L. K., Chaulya, S. K., Mishra, P.K. - Springer, 2010. -477 p. https://doi.org/10.1007/978-0-387-98165-9

11. Basic Tutorial on Wireless Communication and Electronic Tracking: Technology Overview. URL: https://www.cdc.gov/NIOSH/Mining/content/emergencymanagementandresponse/ commtracking/commtrackingtutorial 1.html (дата обращения: 06.08.2021).

12. Advanced Tutorial on Wireless Communication and Electronic Tracking. URL: https://www.cdc.gov/NIOSH/Mining/content/emergencymanagementandresponse/ commtracking/advcommtrackingtutorial 1.html (дата обращения: 06.08.2021).

13. Электродинамика и распространение радиоволн. / Под ред. В. А. Неганова и С. Б. Раевского. Изд. 3-е, доп. и перераб. - М.: Радиотехника, 2007.

14. Pritchett, W. C. Attenuation of radio frequency waves through the earth // Geophysics, - 1952, Vol. 17 (2), pp. 193-217. https://doi.org/10.1190/L1437745

15. Пархоменко, Э. И. Электрические свойства горных пород. - М.: Наука, 1965 г. 164 с.

16. Подповерхностная радиолокация / Под ред. М. И. Финкельштейна. - М.: Радио и связь, 1994.

17. Barkand, Th. D. Through-the-Earth, Two-Way, Mine Emergency, Voice Communication Systems / Barkand, Th. D., Damiano, N. W., Shumaker, W.A. // Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting, 8-12 Oct. 2006. https://doi.org/10.1109/IAS.2006.256640

18. Jong, E. C. A preliminary evaluation of a Through-the-Earth (TTE) communications system at an underground coal mine in Eastern Kentucky Mining / Jong, E. C.,

Schafrik, S. J., Gilliland, E. S. // Mining Engineering, - 2016, Vol. 68 (4), pp. 52-57. https://doi.org/10.19150/me.6548

19. L. Yan, J.A. Waynert, C. Sunderman. Measurements and Modeling of Through-the-Earth Communications for Coal Mines // IEEE Transactions on industry applications, - 2013, Vol. 49 (5), pp. 1979-1983. https://doi.org/10.1109/TIA.2013.2260116

20. Liu, Y. Research on Intrinsic-safe Through-the-Earth radio communication system technology with large depth / Liu, Y., An, Zh., Wang, Q., Pan, R., Liu, X., Liu, J. // 2020 12th International Conference on Communication Software and Networks, 1215 June 2020. https://doi.org/10.1109/ICCSN49894.2020.9139108

21. Carreno, J. D. P. Through-the-Earth (TTE) communications for underground mines / Carreno, J. P., Silva, L. S., Almeida Nevis, S. O., Aguayo, L., Braga, A. J., Barreto, A. N., Uzeda Garcia, L.G. // Journal of Communication and Information Systems, -2016, Vol. 31 (1), pp. 164-176. https://doi.org/10.14209/jcis.2016.15

22. Carreno J. P. Propagation loss and apparent conductivity models for Through-the-Earth communication in sedimentary soil / Carreno, J. P., Barreto, A. N., Braga, J. // IET Microwaves, Antennas & Propagation, Vol. 13 (9), 2019. pp. 1382-1388. https://doi.org/10.1049/iet-map.2018.5793

23. Yan, L. Mathematical modeling and measurement of electric fields of electrode-based through-the-earth (TTE) communication / Yan, L., Zhou, Ch., Reyes, M., Whisner, B., Damiano, N. // Radio Science, - 2017, Vol. 52 (6), pp. 731-742. https://doi.org/10.1002/2016RS006242

24. Damiano, N. Simulation and Measurement of Through-the-Earth, Extremely Low-Frequency Signals Using Copper-Clad Steel Ground Rods / Damiano, N., Yan, L., Whisner, B., Zhou, Ch. // IEEE Transactions on Industry Applications, - 2017, Vol. 53 (5). pp. 5088-5095. https://doi.org/10. 1109/TIA.2017.2703625

25. Hao, J. Impact of Rods Configuration on Electrodes Impedance of Through-the-Earth Communication System / Hao, J., Mou, Y., Yan, B. // International Journal of

Hybrid Information Technology, - 2017, Vol. 10 (8), pp. 101-110. http://dx.doi.org/10.14257/iihit.2017.10.8.08

26. Shaydurov, G. Y. Through-the-Earth communication in underground mines by electromagnetic waves / Shaydurov, G. Y., Kudinov, D. S., Kokhonkova, E. A., Shchitnikov, A. A. // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 12-14 May 2016. https://doi.org/10.1109/SIBCQN.2016.7491771

27. Комплекс СУБР-1П модификация 1 / УралТехИс. URL: https://uraltexis.ru/production/ subr-1 p/subr- 1p-1 (дата обращения: 22.04.2021).

28. Система аварийного оповещения и персонального вызова / RADIUS. - URL: http://radius-nvic.ru/page7059197.html (дата обращения: 22.04.2021).

29. Аварийное оповещение FlexAlert / Mine Radio Systems. - URL: https://mineradio.ru/podsystem/emergency-communications/ (дата обращения: 22.04.2021).

30. Safety & Tracking / MST Global. - URL: https://mstglobal.com/technologies/safety-tracking/ (дата обращения: 22.04.2021).

31. Mining Contract: Magnetic Communication System (MCS) / NIOSH. URL: https://www.cdc.gov/NIQSH/mining/researchprogram/contracts/contract_200-2009-32021.html (дата обращения: 22.04.2021).

32. Intrinsically Safe system for TTE voice, text and data communication in below ground coal mining / VitalAlert. URL: https://vitalalert.com/product/canarycommis/ (дата обращения: 22.04.2021).

33. Яцышин, В. И. Исследование беспроводного канала в толще горных пород для шахтной аварийной и горноспасательной связи: Автореферат дис. ... канд. техн. наук: 05.00.00; - Харьков, 1971. - 13 с.

34. Жук, Н. И. Исследование оптимальных условий передачи электромагнитных сигналов низкой частоты через массив горных пород между поверхностью

шахты и горными выработками: Автореферат дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03. - Харьков, 1975. - 13 с.

35. Воеводин, В. Н., Долгопольский, Е. Л. Высокочастотная связь в подземных выработках с использованием направляющих. - М.: ЦНИИЭИ-уголь, 1976. -25 с.

36. Кореннов, Б. И. Исследование условий распространения радиоволн на шахтах севера и разработка аппаратуры шахтной связи. Дис. ... канд. техн. наук: 05.15.11. - Якутск, 1983. - 160 с.

37. Fritsch, V. Propagation of Radiofrequency Electromagnetic Fields in Geological Conductors / Journal of Research of the National Bureau of Standards-D. Radio Propagation, - 1963, Vol. 67D (2), pp. 161-178. https://doi.org/10.6028/jres.067d.019

38. Hill, D. A. Analysis of Radio Frequency Transmission Along a Trolley Wire in a Mine Tunnel / Hill, D. A., Wait, J. R. // IEEE Transactions on electromagnetic compatibility, - 1976, Vol. Emc-18 (4), pp. 170-174. https://doi.org/10.1109/TEMC.1976.303497

39. Wait, J. R. Coaxial and Bifilar Modes on a Transmission Line in a Circular Tunnel / Wait, J. R., Hill, D. A. // Applied physics, - 1974, Vol. 4, pp. 307-312. https://doi.org/10.1007/BF00928384

40. Mahmoud, S. F. On the Attenuation of Monofilar and Bifilar Modes in Mine Tunnels (Short Papers) // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, - 1974, Vol. 22 (9), pp. 845-847. https://doi.org/10.1109/TMTT.1974.1128359

41. Sacks, H. K. Medium-Frequency Propagation in Coal Mines / Sacks, H. K., Chufo, R. L. // Proceedings of the Fourth WVU Conference on Coal Mine Electrotechnology, Aldridge-MD, ed. Morgantown, WV, Aug 2-4, 1978, 1978 Aug, pp. 27-1-27-12. URL:

https://www.cdc.gov/niosh/mining/works/coversheet225.html

42. Cory, T. S. Antenna Design & Coupling Studies at Medium Frequency for lmproved Coal Mine Communications // U.S. Bureau of Mines Purchase Order No. PO382223, 1978, pp. 1-55. URL:

https://www.cdc.gov/niosh/mining/works/coversheet661.html

43. Dobroski, H. H. A whole-mine medium-frequency radio communication system / Dobroski, H. H., Stolarczyk, L. G. // The Sixth WVU Conference on Coal Mine Electrotechnology, Cooley-WL, ed., Morgantown West Virginia, Jul 28-30, 1982, 1982 Nov, pp. 1-13 URL:

https://www.cdc.gov/niosh/mining/works/coversheet1525.html

44. Lagace, R. L. Transmit Antennas for Portable VLF to MF Wireless Mine Communications / Lagace, R. L., Curtis, D. A., Foulkes, J. D., Rothery, J. L. // Arthur D. Little, Inc. U.S. Bureau of Mines contract No. H0346045. NTIS No. PB 285 004, 1977, 158 p. URL:

https://www.cdc.gov/niosh/mining/works/coversheet1096.html

45. Lagace, R. L. Mining Publication: Modeling and Data Analysis of 50 to 5000 kHz Radio Wave Propagation in Coal Mines / Lagace, R. L., Emslie, A. G., Grossman, M. A. // Arthur D. Little, Inc. U.S. Bureau of Mines Contract No. H0346045-2. 1990, 238 p. URL: https://www.cdc.gov/niosh/mining/works/coversheet179.html (дата обращения: 22.04.2021).

46. FERRA L1 - компактная средневолновая радиостанция для подземной и наземной радиосвязи. URL: http://xferra.ru/products/ferra-l1/ferra-l1.php (дата обращения: 22.04.2021).

47. Underground astronauts preparing for space / The European Space Agency. URL: https://www.esa.int/Science Exploration/Human and Robotic Exploration/CAV ES_and_Pangaea/Underground_astronauts_preparing_for_space (дата обращения: 29.07.2021).

48. Kutta Radios - Technology Overview. URL: https://www.kuttaradios.com/index.html (дата обращения: 22.04.2021).

49. Радиосистема «КИС-1». URL: http://www.mobilradio.ru/radios/vebr/?vebr_kis-1 (дата обращения: 22.04.2021).

50. Аппарат высокочастотной горноспасательной связи «Кварц-ЗМ». URL: http://promimpex.su/index/kvarc 3m/0-46 (дата обращения: 22.04.2021).

51. Researching the applications of open innovative wireless technologies (RAINOW). / Pollei, U., Papamichalis, A., Rodriguez, A., etc. / Luxembourg: Publications Office of the European Union, - 2010, 149 p. https://doi.org/10.2777/78643

52. Volakis, J., Chen, Chi-Ch, Fujimoto, K. Small Antennas: Miniaturization Techniques & Applications. - McGraw-Hill, 2010.

53. Hansen, R. C. Electrically Small, Superdirective, and Superconducting Antennas. -Wiley-Interscience, 2006.

54. Modern antenna handbook / Edited by C. A. Balanis. - John Wiley & Sons, Inc, 2008.

55. Киселев, В. П. Современное состояние исследований малогабаритных антенн / Киселев, В. П., Сайко, В. Г., Ильинов, М. Д., Федяев, В. Е. // Зарубежная радиоэлектроника, - 1990, № 5, c. 82-87.

56. Слюсар, В. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги // Электроника: НТБ, - 2006, №7.

57. Бабков, В. Ю., Муравьев, Ю. К. Основы построения устройств согласования антенн. - ВАС, 1980. - 240 с.

58. Муравьев, Ю. К. Справочник по расчету проволочных антенн. - ВАС, 1978. -392 с.

59. Guezgouz, D. Calculating Q of complex small antennas using FDTD method / Guezgouz, D., Collardey, S., Sharaiha, A., Mahdjoubi, K. // Proceeding 'EuCAP 2006', Nice, France, 2006. https://doi.org/10.1109/EUCAP.2006.4584689

60. Collardey, S. Calculation of small antennas quality factor using FDTD method / Collardey, S., Sharaiha, A., Mahdjoubi, K. // IEEE Antennas and wireless

propagation letters, - 2006, Vol. 5, pp. 191-194. https://doi.org/10.1109/LAWP.2006.873947

61. Климов, К. Н. Электрически малые антенны. Часть 1 / Климов, К. Н., Годин, А. С., Гежа, Д. С. // Успехи современной радиоэлектроники, -2016, № 6, с. 4762.

62. Климов, К. Н. Электрически малые антенны. Часть 2 / Климов, К. Н., Годин, А. С., Гежа, Д. С. // Успехи современной радиоэлектроники, -2016, № 7, с. 1734.

63. Айзенберг Г.З. и др. Коротковолновые антенны / Под ред. Г. З. Айзенберга -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1985.

64. Trainotti, V. Vertically polarized dipoles and monopoles, directivity, effective height and antenna factor / Trainotti, V. Figueroa, G. // IEEE Transactions on Broadcasting, - 2010, Vol. 56 (3), pp. 379-409. https://doi.org/10.1109/TBC.2010.2050627

65. Овсянников, В. В. Вибраторные антенны с реактивными нагрузками. - М.: Радио и связь, 1985. - 120 с.

66. Пат. 2696882 Рос. Федерация, МПК H01Q9/18. Резонансная перестраиваемая антенна. / Д.В. Федосов; заявл. 16.07.2018; опубл. 07.08.2019.

67. Ротхаммель, К., Кришке, А. Энциклопедия антенн: пер. с нем. - М.: ДКМ Пресс, 2011.

68. Григоров, И. Н. Передающие магнитные рамочные антенны. [Электронный ресурс] - URL: http://www.antentop.org/library/ files/magloop.pdf (дата обращения: 19.01.2020).

69. Григоров, И. Н. Приемные магнитные рамочные антенны. [Электронный ресурс] - URL: http://www.antentop.org/library/ files/rx_loop.v5.pdf (дата обращения: 19.01.2020).

70. Гончаренко, И. В. Антенны КВ и УКВ. Часть II. Основы и практика. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ИП Радиософт, Журнал «Радио», 2012.

71. Овсянников, В. В. К расчету штыревых и петлевых вибраторных антенн с последовательно включенными сосредоточенными нагрузками. / В кн.: Антенны / Под ред. А. А. Пистолькорса. - М.: Радио и связь, 1984, вып. 31, с. 88-104.

72. Грачев, А. Антенна UA6AGW v. 40 // Радио. - 2011, №2, с. 59-61.

73. Рамочно-лучевая антенна [Текст]: пат. 92574 Рос. Федерация: МПК H01Q19/00 / Грачев А. В. - №2009141951/22; заявл. 13.11.2009; опубл. 20.03.2010.

74. Малогабаритная резонансная рамочная коаксиальная антенна [Текст]: пат. 2583758 Рос. Федерация: МПК7 H01Q9/00 / Кисмерешкин В.П., Колесников А.В.; заявитель и патентообладатель ФБГОУ ВПО "Омский государственный технический университет" - № 2014153165/08, заявл. 25.12.2014. опубл. 10.05.2016.

75. Антенны, СВЧ-устройства и их технологии / Нечаев, Ю. Б., Николаев, В. И., Андреев, Р. Н., Винокурова, Н. Н.; под общ. ред. Ю. Б. Нечаева, В. И. Николаева. - 2-е изд. Воронеж: ОАО Концерн «Созвездие», 2008. - 629 с.

76. Чебышев, В. В. Основы проектирования антенных систем. - М.: Горячая линия-Телеком, 2018. - 150 с.

77. Гринёв, А. Ю. Численные методы решения прикладных задач электродинамики. - М.: Радиотехника, 2012. - 336 с.

78. Проектирование СВЧ устройств и антенн. [Электронный ресурс]. - URL: https://kurushin.ucoz.ru/ (дата обращения 01.04.2021).

79. Казанский, Л. С. Теория моделирования антенно-фидерных устройств LC-цепями с потерями, их проектирование и техническая реализация в ВЧ-диапазоне. Дис. ... докт. техн. наук: 05.12.07. - Самара, 1998. - 378 с.

80. Теория передачи сигналов: учебник для вузов / Зюко, А. Г., Кловский, Д. Д., Назаров, М. В., Финк, Л. М. - М.: Связь, 1980. - 288 с.

81. Скляр, Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2007. - 1104 с.

82. Rembovsky A. Modulation and signal types in modern radioelectronic means. In: Radio monitoring. Lecture notes in electrical engineering. Vol. 43. Springer, Boston, MA. 2009. https://doi.org/10.1007/978-0-387-98100-0 6

83. Кинг, Р. Антенны в материальных средах / Кинг, Р, Смит, Г. / Пер. с англ. под ред. В.Б. Штейншлейгера. Кн. 1, Кн. 2. - М.: Изд-во «Мир»: Редакция литературы по новой технике, 1984.

84. Balanis, C. A. Antenna theory. Analysis and Design / 4-th edition. - John Wiley & Sons, Inc, 2016.

85. Smith, G. S. Radiation efficiency of electrically small multiturn loop antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, - 1972, Vol. AP-20 (5), pp. 656657. https://doi.org/10.1109/TAP.1972.1140293

86. Электроразведка / Под ред. Хмелевского, В.К., Бондаренко, В.М. Кн.1, 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1989. - 438 c.

87. Zhan, Hui. Very Low Frequency Propagation Characteristics Analysis in Coal Mines / Zhang, H, Zhu, M, Li, X, Han, W, Liu, Zh // IEEE Access, - 2020 Vol. 8, pp. 95483 - 95490. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2995678

88. Колесников А.В., Федосов Д.В., Николаев А.В. Влияние климато-геофизических факторов на характеристики подземного канала беспроводной связи сквозь горную породу // Электромагнитные волны и электронные системы, 2022, №4. С. 5-13. https://doi.org/10.18127/j5604128-202204-01

89. Шамсутдинов М.М., Таштанбаева В.О. Выбор и обоснование рабочих частот в шахтном стволе // Известия КГТУ им. И. Раззакова. 2018. № 2 (46). С. 311317.

90. Ch. Zhou, N. Damiano. Wireless Channel and Electromagnetic Environments for Through-the-earth (TTE) Communications in an Underground Coal Mine // 2021

IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), 17-22 Jan. 2021. https://doi.org/10.1109/RWS50353.2021.9360383

91. Рекомендация МСЭ-R P.372-11. Радиошум. URL: https://www.itu.int/dms pubrec/itu-r/rec/p/R-REC-P.372-11-201309-S!!PDF-R.pdf (дата обращения: 22.04.2021).

92. Семенов А.С. Электроразведка методом естественного электрического поля. -Л.: Недра, 1980. - 446 с.

93. Якубовский Ю.В. Электроразведка. - М.: Недра, 1980. - 384 с.

94. Дортман Н.Б. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых (петрофизика). Справочник геофизика. М.: Недра, 1984. - 455 с.

95. Брылкин Ю.Л. О диэлектрической проницаемости горных пород осадочного происхождения / Ю.Л. Брылкин, Л.И. Дубман // Геология и геофизика. 1972. № 1. - С. 117-121.

96. Garrough A. A. A Systematic Study Revealing Resistivity Dispersion in Porous Media / A.A. Garrouch // The Log Analyst. 1999. Vol. 40. No 4. - P. 271-279.

97. Талалов А.Д., Даев Д.С. Взаимосвязь коэффициента проницаемости с комплексной электропроводностью горных пород в частотном диапазоне 104 - 5 108 Гц // Ивестия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2004, №5. С. 27-32.

98. Талалов А.Д., Даев Д.С. Взаимосвязь частотной дисперсии электрических параметров горных пород с их петрофизическими характеристиками // Ивестия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2003. №5. С. 52-56.

99. Федосов, Д.В. Бюджет подземного канала беспроводной связи сквозь горную породу / Федосов, Д.В., Николаев, А.В., Колесников // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.9.11

100. Колесников, А. В. Оптимальные частоты линий подземной беспроводной связи через породу // Шарыгинские чтения: Материалы МНПК, 2021.

101. Trout, S. R. Use of Helmholtz Coils for Magnetic Measurements // IEEE Transactions on Magnetics, - 1988, Vol. 24 (4), pp. 2108-2111. https://doi.org/10.1109/20.3411

102. Petkovic, D. M., Radic, M. D. Generalization of Helmholtz coil problem / Petkovic, D. M., Radic, M. D. // Serbian journal of electrical engineering, - 2015, Vol. 12 (3), pp. 375-384. https://doi.org/10.2298/SJEE1503375P

103. Гормаков, А. Н. Расчет и моделирование магнитных полей, создаваемых системой «Кольца Гельмгольца - соленоид» / Гормаков, А. Н., Ульянов, И. А. // Фундаментальные исследования, - 2015, № 3.

104. Кисмерешкин, В. П. Варианты повышения эффективности малогабаритных рамочных коаксиальных антенн / Кисмерешкин, В. П., Колесников, А. В. // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал], - 2015, №2. URL: http://jre.cplire.ru/mac/feb15/9/text.pdf

105. Колесников, А. В. Экспериментальное исследование СВ рамочной антенны // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!: материалы V Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием в 3 кн., кн. 1 - Омск: изд-во ОмГТУ, 2013. - С. 215-218.

106. Колесников, А. В. О факторах, влияющих на добротность магнитной антенны // Наука, образование, бизнес: материалы всерос. науч.-практич. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2014. - С. 400 -401.

107. Колесников, А. В. Схемотехническое моделирование рамочной коаксиальной антенны / Колесников, А. В., Ткаченко, А. В. // Наука, образование, бизнес: материалы всерос. науч.-практич. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио -Омск: Изд-во КАН, 2015. - С. 301 -303.

108. Колесников, А. В. Сравнительная оценка конденсаторов настройки в магнитной антенне // Динамика систем, механизмов и машин. - 2014, №4. - С. 25-26.

109. Кисмерешкин, В. П. Исследование коаксиальных рамочных антенн повышенной эффективности / Кисмерешкин, В. П., Колесников, А. В., Зайдов, П. А., Васильева, А. В. // Динамика систем, механизмов и машин. - 2017, №4. - С. 205-209.

110. Кисмерешкин, В. П. Об эффективности коаксиальных рамочных антенн / Кисмерешкин, В. П., Колесников, А. В. // Радиотехника, электроника и связь (РЭиС-2017). Сборник докладов IV Международной научно-технической конференции. 2017. С. 235-238.

111. Burbery, R. A. Electrically small antennas: a review // IEE Colloquium on Electrically Small Antennas, 23-23 Oct. 1990.

112. Loop antennas / The ARRL Antenna book / Editor R. D. Straw, 21th ed. - USA: The national association for Amateur radio, Newington, 2007.

113. Резонансная спиральная антенна [Текст]: пат. 2680674 Рос. Федерация, МПК H01Q9/04 / Д.В. Федосов, А.В. Колесников, А.В. Николаев; заявл. 14.03.2018; опубл. 25.02.2019, Бюл. № 6.

114. Способ изготовления катушки индуктивности [Текст]: пат. 2758986 Рос. Федерация, МПК H01F 41/066 H01F 17/00. Д.В. Федосов, А.В. Колесников, О.В. Шевелёв, П.В. Дмитриев; заявл. 26.10.2020; опубл. 08.11.2021, Бюл. № 31.

115. Колесников, А. В., Федосов, Д. В., Николаев, А. В. Моделирование резонансной спиральной электрически малой антенны // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2022. №8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.8.13

116. Fedosov, D. V. Calorimetric method for measurement of electrically small antennas efficiency / Fedosov, D. V., Kolesnikov, A. V., Nikolaev, A. V., Starchenkov, A. V., Titovets, P. A. // 2021 Systems of signals generating and processing in the field

of on board communications, conference proceedings, 2021. https://doi.org/10.1109/IEEECONF51389.2021.9416092

117. Николаев, А. В. Определение коэффициента полезного действия малогабаритных антенн калориметрическим методом / Николаев, А. В., Титовец, П. А., Федосов, Д. В., Колесников, А. В., Старченков, А. В., Ахмад, Али // REDS: Телекоммуникационные устройства и системы. - 2021, Т. 11 (1), с. 13-21.

118. Федосов, Д.В. Существующие и перспективные антенные решения для связи в подземных горных выработках / Федосов, Д.В., Колесников, А.В., Николаев, А.В. // Электронные средства и системы управления. Материалы докладов Международной научно-практической конференции. - Томск, 2020. № 1-1. С. 121-124.

119. Fedosov, D. V. Advanced MF antennas for underground communications / Fedosov, D. V., Kolesnikov, A. V., Nikolaev, A. V. // Journal of Physics: Conference Series, - 2021, Vol. 1862. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1862/1/012002

120. Николаев, А. В. Электрически малые антенны и перспетивы их использования в радиотехнике / Николаев, А. В., Титовец, П. А., Федосов, Д. В., Колесников // Технологии информационного общества. Сборник трудов XVI Международной отраслевой научно-технической конференции. - Москва, 2022. С. 93-95.

121. Колесников А.В. Эксплуатационные особенности малогабаритных антенных устройств СВ диапазона в рудниках и шахтах // Труды НИИР, 2021, №4. С. 4960.

122. Николаев А.В., Федосов Д.В., Шевелёв О.В., Колесников А.В., Дмитриев П.В. Аддитивная технология изготовления катушек индуктивности для антенн перспективных радиосистем // Проблемы машиностроения и автоматизация. 2022. №1. С.85-90. https://doi.org/10.52261/02346206 2022 1 85

123. Nikolaev A. V. Additive manufacturing of induction coils for antennas of advanced radio systems / Nikolaev, A. V., Fedosov, D. V., Shevelyov, O. V., Kolesnikov, A. V., Dmitriev, P. V. // Journal of Machinery Manufacture and Reliability, 2022, Vol. 51, No. 8, pp. 96-100. http://dx.doi.org/10.3103/S1052618822080143

124. Newman, E. H. Two methods for the measurement of antenna efficiency / Newman, E. H., Bohley, P., Walter, C. H. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, - 1975, Vol. AP-23, pp. 457-461. https://doi.org/10.1109/TAP.1975.1141114

125. Wheeler, H. A. The Radiansphere Around a Small Antenna // Proceedings of the IRE, - 1959, Vol. 47 (8), pp. 1325-1331. https://doi.org/10.1109/JRPROC.1959.287198

126. G. E. Smith. An analysis of the Wheeler method for measuring the radiating efficiency of antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, - 1977, Vol. 25 (4), pp. 552-556. https://doi.org/10.1109/TAP.1977.1141615

127. Thal, H. L. A Circuit Model for Spherical Wheeler Cap Measurements // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, - 2011, Vol. 59 (10), pp. 3638-3645. https://doi.org/10.1109/TAP.2011.2163746

128. Johnston, R. H. An improved small antenna radiation-efficiency measurement method / Johnston, R. H., McRory, J. G. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, - 1998, Vol. 40 (5), pp. 40-48. https://doi.org/10.1109/74.735964

129. Johnston, R. H. A New Small Antenna Efficiency Method / Johnston, R. H., Ager, L. P., McRory, J. G // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 1996 Digest, pp. 176-179. https://doi.org/10.1109/APS.1996.549569

130. Johnston R. H. Small antenna efficiency by the reflection and the Q measurement methods / Johnston R. H., McRory, J. G. // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 1999 Digest. Held in conjunction with: USNC/URSI National Radio Science Meeting, 11-16 July 1999. https://doi.org/10.1109/APS.1999.788307

131. Azremi, A. A. H. Small Antenna Efficiency by the Reverberation Chamber and the Wheeler Cap methods / Azremi, A. A. H., Shiraz, H. G., Hall, P. S. // 2005 13th IEEE International Conference on Networks Jointly held with the 2005 IEEE 7th Malaysia International Conf on Communie, 16-18 Nov. 2005. https://doi.org/10.1109/ICQN.2005.1635424

132. Azremi, A. A. H. Reverberation chamber for efficiency measurement of small antennas / Azremi, A. A. H., Shiraz, H. G., Hall, P. S. // 2005 1st International Conference on Computers, Communications, & Signal Processing with Special Track on Biomedical Engineering, 14-16 Nov. 2005. https://doi.org/10.1109/CCSP.2005.4977152

133. Azremi, A. A. H. A comparative study of small antenna efficiency measurements / Azremi, A. A. H., Shiraz, H. G., Hall, P. S. // 2005 Asia-Pacific Conference on Applied Electromagnetics, 20-21 Dec. 2005. https://doi.org/10.1109/APACE.2005.1607778

134. Azremi, A. A. H. An Investigation of Rayleigh Distribution in Reverberation Chamber // 2006 International RF and Microwave Conference, 12-14 Sept. 2006. https://doi.org/10.1109/RFM.2006.331040

135. Muramoto, M. Radiation Efficiency Measurement of a Small Antenna Using the Wheeler Method / Muramoto, M., Ishii, N., Itoh, K. // Electronics and Communications in Japan (Part I: Communications) - 1996, Vol. 79 (6), pp. 93-100. https://doi.org/10.1002/ecia.4410790610

136. McKinzie, W. E. A Modified Wheeler Cap Method for Measuring Antenna Efficiency // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium 1997. Digest, 13-18 July 1997, pp. 542-545. https://doi.org/10.1109/APS.1997.630218

137. Schroeder, W. L. Direct calorimetric measurement of small antenna radiation efficiency / Schroeder, W. L., Gapski, D. // 2005 IEEE Antennas and Propagation

Society International Symposium, 3-8 July 2005. https://doi.org/10.1109/APS.2005.1552123

138. Schroeder, W. L. Direct measurement of small antenna radiation efficiency by calorimetric method / Schroeder, W. L., Gapski, D. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, - 2006, Vol. 54 (9), pp. 2646-2656. https://doi.org/10.1109/TAP.2006.880717

139. Кукуш, В. Д. Электрорадиоизмерения. - М.: Радио и связь, 1985. - 368 с.

140. Кузнецов, А.В., Долгов, В.А., Коневских, В.М. и др. Измерения в электронике: справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 512 с.

141. Хеммингер, В., Хёне, Г. Калориметрия. Теория и практика. - М.: Химия, 1990.

142. Zielenkiewicz, W., Margas, E. Theory of Calorimetry. New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow: Kluwer Academic Publishers, 2004.

143. Брандт, З. Статистические методы анализа наблюдений. - М.: Издательство «Мир», 1975. - 313 c.

144. Linear or rank correlation. / MATLAB Documentation. [Электронный ресурс]. -URL: https://www.mathworks. com/help/stats/corr.html (дата обращения 02.08.2021).

145. Выгодский, М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука. 1977. - 872 с.

146. Немцов М.В. Справочник по расчёту параметров катушек индуктивности. М.: Энергоатомиздат. 1989. - 92 с.

147. Гликман И.Я., Русин Ю.С. Расчёт характеристик элементов цепей радиоэлектронной аппаратуры. М.: Советское радио. 1976. - 160 с.

148. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчёт индуктивностей: Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1986. 488 с.

149. Иоссель Ю.Я., Качанов Э.С., Струнский М.Г. Расчёт электрической ёмкости. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1981. 288 с.

150. Smith G. S. Radiation efficiency of electrically small multiturn loop antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1972. V.AP-20. №5. P.656-657. https://doi.org/10.1109/TAP.1972.1140293

151. Bartoli M., Noferi N., Reatti A., Kazimierczuk M.K. Modeling litz-wire winding losses in high-frequency power inductors // PESC Record. 27th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. 1996. P.1690-1696. https://doi.org/10.1109/PESC.1996.548808

152. Wojda R.P., Kazimierczuk M.K. Winding resistance of litz-wire and multi-strand inductors // IET Power electronics. 2012. V.5. №2. P.257-268. https://doi.org/10.1049/iet-pel.2010.0359

153. Robkopf A., Bar E., Joffe Ch., Bonse C. Calculation of power losses in litz wire systems by coupling FEM and PEEC method // IEEE Transactions on power electronics. 2016. V.31. №9. P.6442-6449. https://doi.org/10.1109/TPEL.2015.2499793

154. Богородицкий, Н. Н., Пасынков, В. В., Тареев, Б. М. Электротехнические материалы. 7-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. - 304 с.

155. Тугов, И. И., Кострыкина, Г. И. Химия и физика полимеров. - М: Химия, 1989. - 432 с.

156. Раувендааль, К. Экструзия полимеров. Пер. с англ. 4 изд. под ред. А. Я. Малкина. - СПб.: Профессия, 2008. - 768 с.

157. Роботизированный станок для изготовления индуктивностей аддитивным способом [Текст]: пат. 213264 Рос. Федерация, МПК H01F 41/04 / О.В. Шевелёв, Д.В. Федосов, А.В. Колесников, П.В. Дмитриев, А.В. Николаев; заявл. 15.11.2021; опубл. 02.09.2022.

158. Biological and Medical Aspects of Electromagnetic Fields / Edited by Frank S. Barnes, Ben Greenebaum. 3rd Edition. CRC Press. 2007. 476 p. https://doi.org/10.1201/9781315221557

159. СанПиН 2.1.8/2.2.4.1383-03 Гигиенические требования к размещению и эксплуатации передающих радиотехнических объектов.

160. Kolesnikov, A. V. Calculation of the efficiency of electrically small MF antenna for mine communications / Kolesnikov, A. V., Fedosov, D. V., Nikolaev, A. V. // Journal of Physics: Conference Series, - 2021, Vol. 1862. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1862/1/012001

161. Cao Sh., Hu, K. Design of Double Resonant Coil Ferrite Rod Antenna for RF Energy Harvesting on MF Band // 2019 The 7th International Conference on Information, Communication and Networks. pp. 57-60. https://doi.org/10.1109/ICICN.2019.8834941

162. Beirose J. Electrically small transmitting loops // IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005. pp. 29-32. http://dx.doi.org/10.1109/APS.2005.1551472

163. Beirose J. Performance Analysis of Small Tuned Transmitting Loop Antennas Evaluated by Experiment and Simulation // IEEE Antennas and Propagation Magazine. 2007. Vol. 49, No. 3. https://doi.org/10.1109/MAP.2007.4293949

164. Boswell A., Tyler A., White A. Performance of a small loop antenna in the 3-10 MHz band // IEEE Antennas and Propagation Magazine, 2005. Vol. 47, No. 2, pp. 51-56. https://doi.org/10.1109/MAP.2005.1487778

165. Packer M., Diez P. Electrically small half-loop antenna analysis by numerical emulation // 10th IET International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques (IRST 2006), 2006, pp. 64-68. https://doi.org/10.1049/cp:20060304

166. Koubeissi M., Pomie B., Rochefort E. Perspectives of HF half loop antennas for stealth combat ships // Progress In Electromagnetics Research B. 2013, Vol. 54, pp. 167-184. http://dx.doi.org/10.2528/PIERB13050201

167. Николаев В.И., Пастернак Ю.Г., Пендюрин В.А. Модифицированный вибратор Пистолькорса с плечами на основе трех цилиндрических спиралей, замкнутых на торцах // Вестник Воронежского государственного

технического университета. Т. 18. № 1. 2022. https://doi.Org/10.36622/VSTU.2022.18.1.015

168. Ida I., Fujisawa T., Ito K., Takada J. Precise measurement of input impedance and radiation efficiency of small loop antennas // Proceedings of IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium. 1993. https://doi.org/10.1109/APS.1993.385568

169. Ignatenko M., Filipovic D. S. On the Design of Vehicular Electrically Small Antennas for NVIS Communications // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2016. Vol. 64, No. 6. pp. 2136 - 2145. https://doi.org/10.1109/TAP.2016.2547018

170. Ignatenko M., Filipovic D. S. Electrically Small Half-Loop for Wideband HF On-The-Move Operation // IEEE/ACES International Conference on Wireless Information Technology and Systems (ICWITS) and Applied Computational Electromagnetics (ACES), 2016. https://doi.org/10.1109/R0PACES.2016.7465357

171. Trainotti V. Dorado L.A. On the Crossed Field Antenna Performance // IEEE Transactions on broadcasting, 2006. Vol. 52, No. 3. https://doi.org/10.1109/TBC.2006.879858

172. Ida I., Ito K., Okano Y. Accurate Measurement of Small Input Resistances Using a Conventional Network Analyzer // IEEE Transactions on antennas and propagation, 1999. Vol. 47, No. 2.

173. Kim Y-j., Kim J-h., Lee H-m. Electrically Small Square Loop Antenna with a Capacitive SRR Cover Structure // Proceedings of the 38th European Microwave Conference, 2008. https://doi.org/10.1109/EUMC.2008.4751597

Приложение А. Акты об использовании результатов диссертации

Акт о внедрении результатов диссертационной работы Колесникова Андрея Викторовича

«Исследование и разработка эффективных электрически малых антенн для каналов связи диапазона средних волн в горных

выработках».

Настоящий акт составлен о том, что результаты диссертационной работы Колесникова A.B. были использованы в ООО «Аддитивные технологии малых и средних серий» в НИОКРТ 121031900262-7 при разработке комплекса для аддитивного изготовления спиральных катушек индуктивности, используемых для производства малогабаритных антенн, применяемых для связи через горные породы в шахтах и рудниках.

Колесников A.B. является автором патентов на изобретение № 2758986 «Способ изготовления катушек индуктивности» и полезную модель № 213264 «Станок для изготовления катушек индуктивности», которые используются в производственной деятельности ООО «АТМИСС».

«УТВЕРЖДАЮ» Директор ООО «АТМИСС» Шевелёв Олег Владимирович

Приложение А - Продолжение

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор НПООО «КВ-СВЯЗЬ», кандидат технических наук Федосов Дмитрий Витальевич

об использовании результатов диссертацио

АКТ

антенного оборудования НПООО «КВ-СВЯЗЬ» Колесникова Андрея--

Викторовича на тему «Исследование и разработка эффективных

электрически малых антенн для каналов связи диапазона средних волн в горных выработках».

Настоящий акт составлен о том, что результаты диссертационной работы Колесникова A.B. были использованы в НПООО «КВ-СВЯЗЬ», а именно:

1. При разработке комплекса подземной беспроводной двусторонней связи диапазона средних волн, ОКР «KOHTEJI-1»:

- полученные аналитические модели применены для оценки дальности канала связи при различных электрофизических параметрах горной породы;

- аналитически обоснован и исследован метод калориметрии малогабаритных антенн, разратотана на его основе калориметрическая установка, позволившая измерить и оптимизировать КПД разрабатываемых подземных антенны.

2. При разработке комплексного проекта «Технология производства инновационных комплексов коллективного спасения персонала (вместимостью до 40 человек и временем защиты до 72 часов), обеспечивающих повышение уровня промышленной безопасности при добыче полезных ископаемых подземным способом» разработан опытный образец антенны беспроводной связи с поверхностью шахты от пунктов коллективного спасения персонала.

В результате проведенных работ был получен патент на изобретение № 2680674 «Резонансная спиральная антенна», применяемый при выпуске продукции.