Бесконтактный способ формирования сигналов в радиочастотных кабелях

 

Использование: для передачи сигналов или для постановки помех в условиях, когда непосредственное включение в линию связи затруднено. Сущность изобретения: поток высоэнергетических квантов сканируют вдоль радиочастотного кабеля в направлении приемника сигналов. Приведена математическая формула для определения скорости сканирования. 1 ил.

Изобретение касается применения импульсных источников рентгеновского излучения для генерации сигналов в системах проводной связи. Изобретение может быть использовано для передачи сигналов либо для постановки помех в условиях, когда непосредственное включение в линию связи невозможно или нежелательно. Оно также может найти применение для дистанционного определения места замыкания линии без подключения к токоведущим элементам.

Предложенный способ формирования импульсов тока и напряжения основан на том, что проникающие излучения, например рентгеновские и гамма-кванты, создают в проводных линиях связи (в частности, коаксиальные и многожильные кабели) радиационно-наведенные сигналы.

Как известно, передача информации по проводным линиям связи предполагает наличие передающего устройства на одном конце линии связи и приемного устройства на другом. Важным условием нормального функционирования линии связи является достаточная защита от случайных либо преднамеренных помех. С этой целью кабельные линии заключают в экраны, которые обеспечивают существенное ослабление внешних помехонесущих электромагнитных полей, а также служат преградой для несанкционированного подключения к токоведущим элементам на участке между передатчиком и приемником.

Степень помехозащищенности канала связи, существенно повышается при использовании импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), когда входной сигнал, имеющий произвольную зависимость от времени, преобразуется в последовательность однополярных импульсов. Линии связи такого типа, в которых коаксиальные кабели используются для передачи телевизионных сигналов, представляются наиболее подходящим объектом применения изобретения.

Сущность изобретения заключается в том, что используется бесконтактный способ формирования сигналов в проводных линиях связи, при помощи источника высокоэнергетичных квантов, например рентгеновского аппарата, облучают линию связи, например коаксиальный кабель, причем для усиления сигнала поток излучения сканируют вдоль линии связи в направлении приемника сигналов со скоростью, равной или близкой к скорости распространения сигналов по линии связи.

Предложенный способ поясняется чертежом, где приняты следующие обозначения: 1 жила коаксиального кабеля; 2 оплетка кабеля; 3 поток рентгеновских квантов; 4 оконечное устройство (приемник сигналов), точка М_о; 5 облучаемый участок кабеля длиной l с границами в точках М₁ и М₂; 6,7 необлучаемые участки кабеля; 8 корпус рентгеновской трубки; 9 источник электронов (катод); 10 анод трубки, плоскость анода с осью кабеля образует угол 11 электронный пучок; а расстояние от катода 9 до плоскости анода 10; b расстояние от катода 9 до оси кабеля 1.

Передача сообщений в рассматриваемых линиях связи возможна только при непосредственном подключении генератора сигналов к токоведущим элементам кабельной линии, т.е. там, где расположена передающая станция. Однако в ряде случаев бывает необходимо передать закодированное в виде последовательности импульсов сообщение с промежуточной точки линии, находящейся между передающей и приемной станциями, при условии, что целостность линии не должна либо не может быть нарушена (когда, например, кабель заключен в прочный короб). В некоторых ситуациях бесконтактный способ генерации импульсных сигналов с промежуточной точки кабельной линии связи может быть применен для постановки помех, препятствующих обмену информацией между приемником и передатчиком.

Известно также, что идущие по кабелю сигналы вследствие неидеальной экранировки сопровождаются во внешнем пространстве электромагнитным полем, которое может быть обнаружено чувствительной аппаратурой. Осуществляя бесконтактным способом генерацию импульсных сигналов в линии связи и фиксируя с помощью соответствующих приборов момент прихода импульса, отраженного от места повреждения (замыкания) линии, можно осуществить бесконтактное зондирование линии, не имея доступа к токоведущим элементам.

При облучении рентгеновскими квантами 3 участок кабеля 5 является источником сигналов, которые благодаря волновым свойствам линии уходят по участкам 6 и 7 налево и направо от зоны облучения 5 в виде волн напряжения и тока. Необлучаемые участки кабеля 6,7 по отношению к облучаемому участку 5 можно рассматривать как согласованную нагрузку равную волновому сопротивлению кабеля.

Сигнал в точке М_о воспроизводит сигнал в точке М₁ на левом краю зоны облучения 5 с точностью до коэффициента затухания и сдвига по времени на величину, необходимую для прохождения сигналом участка 6. Оба эти обстоятельства далее подразумеваются, хотя явно и не отмечаются.

На основе известных уравнений, описывающих возбуждение сигналов в проводных линиях связи под действием радиации, для напряжения U(t) в оконечном устройстве 4, представляющем собой согласованную нагрузку можно получить формулу U(t) Jx,t- dx (1) где интеграл берется по обучаемому участку 5 и введены следующие обозначения: J(x,t) интенсивность облучения Р/с; v скорость распространения сигнала по кабелю (типичная величина v 2 ^. 10¹⁰ см/с; В чувствительность кабеля к радиации, В/Р.

Коэффициент В дает величину напряжения на разомкнутом кабеле, если он был облучен по всей длине потоком 1Р. Для типовых линий связи при энергии квантов 100-500 кэВ чувствительность по порядку величины равна B 10^-2B/P (2) Важное значение имеет быстрое перемещение зоны облучения вдоль кабеля сканирование луча. Особенно значительное возрастание амплитуды сигнала происходит в том случае, когда скорость сканирования совпадает по направлению и величине со скоростью сигнала, уходящего от облучаемого участка 5.

Для определенности будем считать, что источник радиации движется налево с постоянной скоростью D. За начало отсчета времени примем момент прихода сигнала в точку М_о. Тогда напряжение в оконечном устройстве будет выражаться формулой U(t) U_oexp-; U_o= BJ_oT (3) ; t где J_о максимальная интенсивность облучения;
Т длительность облучения;
h ширина потока квантов 4 непосредственно на кабеле;
t время, за которое сигнал проходит путь h.

Полный заряд, который импульс напряжения переносит через оконечное устройство 4, выражается формулой
Q U(t)dt (4)
Подставляя U(t) согласно выражению (3), получим
Q CBJ_ohT (5) где С погонная емкость кабеля, ф/м.

При этом использованы известные соотношения
a) v б) в) vL (6) где L погонная индуктивность кабеля, Г/м.

Как видно из формулы (5) полный заряд Q не зависит от движения источника.

Сравним амплитуду сигнала V_о в двух предельных случаях:
D O источник неподвижен, сканирование отсутствует;
D v источник движется со скоростью сигнала, т.е. имеет место резонансное сканирование.

Примем во внимание, что в реальных ситуациях выполняется условие
t << T т.е. h << vT (7)
Тогда из формулы (3) получим
V_o(D=0)-BJ_oT BJ_ot (8)
V_o(D v) BJ_oT
V_o(D v)/V_o (D O) T/ t l/h, где l TD длина облучаемого участка 5.

Из формулы (3) для следует, что в таком же отношении l/h уменьшается длительность сигнала, проходящего на оконечное устройство 4.

С помощью выражения (3) можно показать, что при резонансном сканировании по сравнению со случаем неподвижного источника происходит увеличение энергии импульса в том же отношении l/h, что и увеличение амплитуды сигнала.

Преимущество резонансного сканирования проявляется в том, что, как следует из формулы (8), амплитуда сигнала получается такой, как если бы кабель находился под действием радиации с интенсивностью J_o в течение времени Т. Однако фактически каждый отдельный элемент линии при D=v находится под облучением в течение времени t h/D h/v. Если принять h 1 см, Dv 2 ^.10¹⁰ см/с, то получится
t 1 cм/2 ^. 10¹⁰ см/с 5 ^. 10^-11 c
0,05 нс (9)
Согласно имеющимся экспериментальным данным, радиационно-наведенная электропроводность (РНЭ) кабельных диэлектриков за время облучения, не превышающее 0,1 нс, с учетом характеристик имеющихся рентгеновских аппаратов, оказывается пренебрежимо малой, поэтому при выводе формулы (3) РНЭ можно было не учитывать.

Проведем оценку величины эффекта на примере импульсного рентгеновского аппарата МИРА-5Б/1. Для расчета используем следующие характеристики данной установки: длительность импульса излучения 20 нс 2 ^. 10^-8 с, напряжение на рентгеновской трубке 600 кВ, (10) экспозиционная доза рентгеновского излучения на расстоянии 50 см от анода за импульс 15 мР 1,5 ^. 10^-2 P, диаметр фокусного пятна 4 мм.

Примем, что кабель находится на расстоянии 5 см от анода. Тогда доза за импульс составит
1,5 ^. 10^-2 (50/5)² 1,5 Р
Интенсивность облучения будет равна
J_o 1,5 Р/2 ^. 10^-8 с 0,75 ^. 10⁸ Р/с.

Ширина рентгеновского луча непосредственно на кабеле h t 0,25 нс 5 cм.

Cледовательно,
t h/v 5 cм/2 ^. 10¹⁰ см/с 2,5 ^. 10^-10с
Cогласно выражению (8) получим
v_o (D O) 10^{-2 .} 0,75 ^. 10^{8 .} 2,5 ^.10^-101,9 ^. 10^-4 В 0,19 мВ
(11)
v_o (D v) 10^{-2 .} 0,75 ^. 10^{8 .} 20 ^. 10^-915 ^. 10^-3 В 15 мВ
В последнем случае, т.е. при резонансном сканировании, длительность сигнала составит = 0,25 нс.

Если скорость сканирования в плоскости анода, равная D_о, не достигает требуемого значения v скорости распространения сигнала по кабелю, то можно использовать конфигурацию, показанную на чертеже. Несложный расчет дает, что скорость сканирования непосредственно на кабеле будет равна
D (12) где угол между плоскостью анода и осью кабеля;
d расстояние от катода до плоскости анода;
b расстояние от катода до оси кабеля.

Приведем пример ситуации, когда предлагаемый способ позволяет возбудить сигналы, сравнимые по величине с теми сигналами, которые используются в каналах связи.

Километрическое затухание кабеля на частоте f_o (МГц) составляет
_o= (13) где ₁ километрическое затухание на частоте 1 МГц.

Для нормализованного коаксиального кабеля с парами 2,6/9,5 мм
₁ 2,34 дБ/км
При скорости передачи 140 Мбит/с регенерационный участок для данного кабеля имеет длину L 3 км. При скважности импульсов, равной 0,5, эффективная частота в спектре передаваемых сигналов может быть оценена как f_o 300 МГц. Подставляя это значение в формулу (13), находим
_o= 2,34 40,5 дБ/км (14)
Пусть V_o амплитуда сигнала в начале регенерационного участка, V(x) амплитуда сигнала на расстоянии x (км) от регенератора. Тогда из формулы (14) следует, что
20lg = _ox 40,5x/км/ (15)
В качестве максимального напряжения сигнала принято U_o 3 В на волновом сопротивлении линии Z 75 Ом. Регенератор считывает сигнал как единицу, если его амплитуда превысит половину расчетного сигнала. Оценим с помощью формулы (15) расстояние, на котором амплитуда передаваемого по линии связи сигнала V(х) станет равной удвоенному значению напряжения из формулы (11 б), т.е. U(х) 2 ^. 15 мВ30 мВ 3 ^. 10^-2 В. Получаем
х (км) (20/40,5) ^. lg (3/3 ^. 10^-2) 1 км
Таким образом, облучение кабеля в режиме резонансного сканирования на последних двух километрах регенерационного участка позволяет либо передать необходимое сообщение, либо организовать помехи, существенно искажающие передаваемую по каналу связи информацию.

В некоторых случаях сканирование электронного пучка может быть заменено использованием рентгеновской трубки с двумя или несколькими анодами, на которые последовательно подается ускоряющее напряжение.

При резонансном сканировании (при D v) достигается максимальная амплитуда сигнала
V_max V_o (D v) B_o J_o T (16)
Следовательно, формулу (3) можно записать в виде
V_o(D) V (17)
Величину D можно считать близкой к v, если
V_max /K V_o (D) V_max; k > 1 (18)
Подставляя сюда выражение (17), найдем, что условие (18) выполняется, когда
v-D k k= (19) При k= 1,25 k 0,75 1/k 0,8 При k 2 k^V k 1,73 1,73; 1/k 0,5.

Следуя принятым в инженерной практике критериям, можно считать, что эффект сканирования достигнут, если амплитуда сигнала составляет не менее половины от ее максимального значения, достигаемого при D v, для чего должно выполняться условие:
v-D

Формула изобретения

Бесконтактный способ формирования сигналов в радиочастотных кабелях, основанный на облучении кабеля потоком высокоэнергетических квантов, отличающийся тем, что поток высокоэнергетических квантов сканируют вдоль радиочастотного кабеля в направлении приемника сигналов со скоростью D, удовлетворяющей условию

где V скорость распространения сигнала по кабелю;
T длительность облучения;
h ширина потока квантов непосредственно на кабеле.

РИСУНКИ

Рисунок 1