устройство двустороннего усиления сигналов для двухпроводной линии

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДВУСТОРОННЕГО УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ ДЛЯ ДВУХПРОВОДНОЙ ЛИНИИ, содержащее дифференциальный трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно в первый провод двухпроводной линии, вторичная обмотка подключена к входам усилителя, один вывод выхода которого соединен со средним выводом первичной обмотки дифференциального трансформатора, а другой вывод выхода усилителя соединен с вторым проводом двухпроводной линии, отличающееся тем, что между средним выводом первичной обмотки дифференциального трансформатора и вторым проводом двухпроводной линии включен резистор, при этом вторым проводом двухпроводной линии является земля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике высокочастотной связи в горных выработках угольных шахт и обеспечивает двустороннее усиление сигнала одной частоты или полосы частот в однопроводной линии.

Исследованиями в нашей стране и за рубежом установлено, что для перекрытия больших расстояний, а также для радиосвязи в разветвленной сети горных выработок производственно надежными могут быть бесконтактные системы высокочастотной (ВЧ) индуктивной радиосвязи по направляющим проводникам с использованием линейных усилителей (Олаф Й. Ройтерс Х. Распространение электромагнитных волн под землей. Глюкауф N 23, дек. 1984, с.15-22; Исследовать принципы организации и разработать функциональные требования к системе общешахтного оповещения рабочих об авариях на основе носимых радиотелефонных устройств. Отчет о НИР МакНИИ, рук. Редзио А.Г. Бабков С.В. тема N 1714321000, N гос.регистрации 01890021317. Макеевка-Донбасс, 1990, с.118). При этом, поскольку связь должна быть двухсторонней из любой точки в выработке с любой другой точкой в этой же или других выработках, то усилители должны быть двунаправленного действия.

Известны усилители, применяемые для двунаправленного усиления речевых сигналов, передаваемых по двухпроводным линиям (Багуц В.П. Тюрин В.Л. Многоканальная телефонная связь на железнодорожном транспорте, М. Транспорт, 1988, с.20-28). По таким цепям в обоих направлениях передаются токи одной и той же полосы частот. В двусторонних усилителях подобного типа применяют два усилительных элемента, каждый из которых усиливает токи, проходящие в одном направлении передачи. Для различия направлений передачи усилительные элементы включают в двухпроводные цепи через дифференциальные системы.

Недостатком таких усилителей является сложность подбора сопротивления балансного контура равным сопротивлению линейной цепи. Причем это условие должно выполняться на обоих сторонах усилителя. Как известно, сопротивление линии изменяется от климатических факторов, а в шахтных выработках оно также зависит от горно-геологических и горно-технических факторов. Вследствие этого дифференциальные системы двусторонних усилителей обычно в той или иной мере неуравновешены, что приводит к их самовозбуждению. Токи частоты генерации усилителя распространяются по линейной цепи в обе стороны от усилителя и воспринимаются в приемных аппаратах в виде помех. Кроме того, такие усилители предназначены для усиления телефонных низкочастотных сигналов в двухпроводных линиях и их невозможно использовать в ВЧ-линиях связи, в которых вторым проводом используется "земля".

Известен двунаправленный усилитель, применяемый для такой линии (авт.св. СССР N 1575292, кл. Н 04 В 3/36, 1990).

Его недостатком является невозможность одновременного усиления сигналов в двух направлениях, причем направление передачи усиленного сигнала достигается за счет коммутации отрицательного или положительного напряжения по цепи источника питания.

Использование однопроводной линии по сравнению с двухпроводной более приемлемо по экономическим соображениям (отпадает необходимость в физической прокладке двух изолированных проводов в качестве ВЧ-линии). Кроме того, применение двухпроводной линии при бесконтактной ВЧ-радиосвязи обладает существенным недостатком, связанным с тем, что для улучшения приемно-передающих свойств линии провода ее необходимо разносить на расстояние порядка 0,2-0,5 м (лучший вариант на противоположные стороны стенок выработок) (Линдеман В. Рэтц В. Фогт. Устройство радиотелеуправления и радиотелефонной связи для подземного рельсового транспорта, Глюкауф N 5, с.30. Поэтому в горных выработках наиболее целесообразно использование двухпроводных линий, у которых вторым проводом служит "земля" (т.е. однопроводных линий) и двунаправленных усилителей.

Известна система, использующая "землю" в качестве второго провода при ВЧ-связи с шахтах (авт.св. СССР N 1411982, кл. Н 04 В 3/36, 1986). Эта система использует искусственную цепь для провода линии "земля" в качестве направляющей системы для распространения вдоль нее электромагнитных волн. Для обеспечения необходимой дальности и качества радиосвязи вдоль этой линии устанавливают пары (четный и нечетный) усилителей, подключаемых специальным образом к двухпроводной линии и земле.

Для функционирования этой системы необходима двухпроводная линия для подключения парного числа усилителей. Использовать одиночные усилители этой системы для однопроводной линии невозможно.

Известно техническое решение, взятое за прототип (авт. св. СССР N 1309320, кл. Н 04 В 3/36, 1987), позволяющее заменить пару усилителей одним и исключающее необходимость подбора элементов балансного контура. Устройство содержит дифференциальный трансформатор (ДТ) и усилитель. Одна обмотка ДТ включена последовательно в первый провод двухпроводной линии, друг во второй провод линии, а третья обмотка ДТ подключена к входам усилителя. Усиленный сигнал подается в линию через выводы соответственно первой и второй обмотки ДТ при распространении сигнала в обоих направлениях.

Недостатком этого устройства является то, что оно предназначено для усиления низкочастотных сигналов в двухпроводных линиях и его невозможно использовать в ВЧ однопроводных линиях связи, в которых вторым проводом служит земля. Прямое применение устройства в однопроводной линии невозможно, так как подключение к земле обмотки делает ее короткозамкнутой.

Цель изобретения расширение области применения двустороннего усилителя двухпроводных линий для усиления сигналов и в однопроводных линиях (вторым проводом является "земля"), а также повышение надежности и упрощение системы связи.

Цель достигается тем, что в устройстве двустороннего усиления сигналов для двухпроводной линии, содержащим дифференциальный трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно в первый провод двухпроводной линии, нагруженной с двух сторон на резисторы, вторичная обмотка подключена к входам усилителя, один вывод выхода которого соединен со средним выводом первичной обмотки дифференциального трансформатора, а другой вывод выхода с вторым проводом двухпроводной линии, между средним выводом первичной обмотки дифференциального трансформатора и вторым проводом двухпроводной линии включен резистор, при этом вторым проводом двухпроводной линии является "земля".

Наличие указанных выше отличительных признаков обеспечивает достижение положительного эффекта предлагаемого технического решения.

На чертеже изображено предлагаемое устройство двустороннего усиления сигналов, содержащее трансформатор 1, усилитель 2, однопроводную линию Л1 (второй провод "земля"), нагрузочные резисторы R1, R2, R3, равные волновому сопротивлению линии. Трансформатор 1 имеет первичную обмотку 3-5 со средним выводом 4, последовательно включенную в однопроводную линию Л1, и вторичную обмотку 6-7, подключенную к входу усилителя 2. Выход усилителя 2 подключен к средней точке 4 трансформатора 1 и к одному выводу резистора R2. Концы линии Л1 нагружены на резисторы R1 и R3. Вторые выводы резисторов R1, R2, R3 и второй вывод усилителя 2 заземлены.

Работает устройство следующим образом.

Наведенный от радиотелефона, например, в левом плече линии Л1, сигнальный ток, протекая через полуобмотку 3-4 трансформатора 1, наводит ЭДС в обмотке 6-7. После усиления усилителем 2 сигнал поступает на нагрузочный резистор R2, средний вывод 4 трансформатора 1 и подается в обе стороны линии. Токи, протекая через полуобмотки 3-4 и 4-5, создают в магнитопроводе трансформатора 1 встречные магнитные потоки, что не вызывает наведение дополнительной ЭДС в обмотке 6-7 трансформатора 1, тем самым обеспечивается эффект усиления сигнала одной частоты в обе стороны. Аналогично процесс усиления имеет место в обратном направлении при подаче сигналов с другого плеча линии ввиду симметрии схемы. Максимально возможный коэффициент усиления устройства равен коэффициенту подавления синфазного сигнала трансформатором 1 и достигает на практике 50 дБ. При большом коэффициенте усиления устройства и возникновении асимметрии линий устройство возбуждается, что можно использовать для контроля состояния линий. При коэффициенте усиления устройства около 15 дБ возбуждения при асимметрии линий не наблюдается.

Применение схемы двустороннего линейного усилителя позволит создать простые системы общешахтных технологических систем ВЧ индуктивной радиосвязи.

Пример практической реализации устройства.

Устройство двустороннего усиления радиосигналов в однопроводной линии изготовлено на плате из фольгированного стеклотекстолита размером 40х80 мм и содержит трансформатор на сердечнике М1000НИ-АО 284, один операционный усилитель КР140УД1, транзисторы КТ315Б 1 шт. КТ815Г 1 шт. Устройство помещено в пластмассовый корпус размером 45х85х20 мм и испытано на шахте "Новодонецкая" производственного объединения "Доброполье уголь" в откаточных штреках на горизонте 320 м. Питание усилителя осуществляется постоянным напряжением 10 В от автономного источника питания. Однопроводной линией на шахте "Новодонецкая" служила одна жила телефонного кабеля, проложенная по маршруту в северном направлении: Северный полевой откаточный штрек, северный коренной откаточный штрек на пласт Л3, квершлаг, обходная уклона пласта Л3 (общая протяженность линии северного направления составила около 4 км), а также в южном направлении от ствола по маршруту: Южный полевой откаточный штрек, южный откаточный штрек пласта К7, южная дренажная магистраль пласта К7 (общая протяженность линии южного направления составила около 3 км). Общая протяженность линии примерно 7 км. В начале, конце и середине линии было установлено по одному устройству двустороннего усиления сигналов.

Радиосвязь в выработке осуществлялась с помощью носимых радиотелефонов типа "Днипро-НШ", работающих на несущей частоте 250 кГц (Радиостанция носимая "Днипро-НШ". Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ИЛГД. 464511.001 ТО. Днепропетровск, 1991, с.63).

Симметрирование линии на оконечных усилителях осуществлялось подключением к свободному плечу усилителя RC-цепочки с регулируемым резистором. Связь носимых радиостанций с однопроводной линией-волноводом осуществлялась с помощью рамочной (магнитной) антенны.

По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение позволяет расширить область применения двунаправленного усилителя на двухпроводные линии, одним проводом у которых служит "земля" (т.е. на однопроводные линии), что дает экономический эффект, так как прокладка однопроводной линии по сравнению с двухпроводной требует меньше материала для линии и трудозатрат; повысить надежность и упростить систему связи с использованием двунаправленных усилителей для бесконтактной индуктивной ВЧ-радиосвязи вдоль одного направляющего проводника. Это заключается в возможности осуществлять связь с любого места в выработке, в которой проложен направляющий провод. Использование двунаправленных усилителей в двухпроводной линии обеспечивает связь только со стационарных аппаратов, установленных в строго определенных местах.