Низкочастотная антенна

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и предназначено для использования в качестве ненаправленной передающей антенны в диапазоне 10-100 кГц. Техническим результатом является повышение КПД и обеспечение формирования ненаправленной в азимутальной плоскости диаграммы излучения. Сущность изобретения заключается в том, что антенна состоит из четного числа N≥4 плеч, каждое из которых состоит из первого длиной l₁ и второго длиной 1₂ отрезков проводников, причем l₂=(0,5-0,6)l₁. Плечи размещены равномерно по склонам горной возвышенности. Примыкающие к вершине горной возвышенности концы первых и вторых отрезков проводников всех плеч подключены соответственно к первому и второму проводнику двухпроводной линии питания. Внешние концы вторых отрезков всех плеч электрически соединены друг с другом дополнительными отрезками проводов. Внешние концы первых отрезков проводников всех плеч заземлены. Нижняя часть первых отрезков всех плеч длиной (l₁-l₂) может быть выполнена в виде расходящегося пучка проводников. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, заявленная низкочастотная антенна (НЧА) может быть использована в качестве передающей в радиолиниях сверхдлинных, длинных или средних радиоволн.

Известны передающие НЧА.

Так, НЧА по патенту США №4051479, опубл. 27.09.77, представляет вертикальный вибратор, подвешиваемый с помощью воздушного шара или дирижабля. В цепь вибратора последовательно включена индуктивность, выполняющая роль удлинительной катушки.

Однако известная НЧА имеет недостатки:

низкий КПД из-за значительных потерь в относительно низкодобротной катушке индуктивности;

высокую зависимость от метеоусловий, в частности при больших ветровых потоках такую антенну не используют из-за высокой вероятности ее отрыва от летательного аппарата.

Известна также НЧА по патенту Франции №1590584, опубл. 29.05.70, которая представляет собой решетку горизонтальных вибраторов, укрепленных на мачте и согласуемых с фидером с помощью катушки индуктивности. Для снижения тепловых потерь обмотку катушки индуктивности выполняют из металлической ленты, покрытой слоем чистого бериллия, и помещают в криостат с жидким азотом (с температурой 70-75К).

Недостатками данной антенны являются низкий КПД, обусловленный ее малыми электрическими размерами и, следовательно, потерями как в катушке индуктивности, так и в подстилающей полупроводящей поверхности за счет протекания в ней значительных высокочастотных токов, возбуждаемых мощным связанным ближним емкостным реактивным полем.

Известен широкий класс НЧА (см., например, книгу Гвоздев И.Н., Муравьев Ю.К. и др. Характеристики антенн радиосистем связи. - Л.: ВАС, 1978, с.48-55). Эти антенны представляют собой электрически короткие вертикальные вибраторы с разветвленной емкостной нагрузкой. Для достижения приемлемого значения КПД емкостную нагрузку выполняют в виде системы проводов, внешние концы которых закреплены на опорах-мачтах, установленных на горных вершинах, окружающих относительно плоскую поверхность долины - "долинные антенны" (см., например, Таблицы на с.49, 54 указанной книги).

Недостатками таких антенн являются:

большая стоимость конструкции из-за необходимости придания необходимой прочности системе подвески проводов верхней емкостной нагрузки над поверхностью долины; длина этих проводов может составлять сотни метров;

низкий КПД, что обусловлено потерями как в элементах настройки, так и в полупроводящей подстилающей поверхности.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная низкочастотная антенна, описанная в работе: R.S. Me Millan, W.V. Rusch, R.M.Golden. "A very Low - Frequency Antenna for Investigating the Ionosphere Horizontally Polarized Radio Waves". Journal of Research of the National Bureau of Standards, D. Radio Propagation, vol.64 D, №1, January-February, 1960, Fig.13, p.35.

Антенна-прототип состоит из двух горизонтальных плеч, каждое из которых выполнено из двух параллельных и разнесенных друг относительно друга проводников (разнос в направлении, перпендикулярном продольным осям проводников). В качестве проводников плеч используют прямолинейные участки высоковольтной линии электропередач (ЛЭП). Участок поводов ЛЭП, образующий плечи антенны, "отсекают" от ЛЭП включенными последовательно в провода параллельными контурами, резонансная частота которых совпадает с рабочей частотой антенны. Плечи НЧА подключены к двухпроводной линии питания через трансформатор и последовательные фильтры, включенные между вторичной обмоткой трансформатора и проводами ЛЭП. В сечение проводов между точками включения фильтров дополнительно включены "отсекающие" фильтры параллельного кондуктора, также настроенные на рабочую частоту антенны. Последовательные фильтры обеспечивают развязку передатчика от токов, протекающих в проводах ЛЭП. Таким образом, по своей технической сущности схема прототипа представляет собой горизонтальный низкорасположенный симметричный вибратор, каждое плечо которого состоит из двух параллельных отрезков проводов ЛЭП. Длина плеч определяется расстоянием между точками включения отсекающих контуров. Обычно это расстояние составляет от единиц до десятков километров.

В сравнении с рассмотренными выше аналогами ближайший аналог имеет ряд преимуществ: относительная простота конструкции (используется уже установленная ЛЭП); при наличии достаточно протяженного прямолинейного участка ЛЭП оказывается возможным выбрать длину плеч в несколько километров, что обеспечит некоторое повышение эффективности антенны.

Недостатками ближайшего аналога являются:

относительно низкая эффективность (КПД), что объясняется малой электрической высотой подвеса проводов ЛЭП (т.е. отношением высоты подвеса к длине рабочей волны, составляющим 0,01-0,001), приводящей к потерям за счет конечной проводимости подстилающей поверхности;

высокая неравномерность азимутальной диаграммы направленности (ДН) из-за формирования ее максимума вдоль проводов вибратора над полупроводящей поверхностью, что исключает использование антенны с неориентированным в азимутальной плоскости корреспондентом;

узкополосность, т.к. антенна может работать только на фиксированной частоте, совпадающей с частотой настройки контуров и фильтров, включенных в цепь антенны.

Целью заявляемого изобретения является разработка низкочастотной антенны, обеспечивающей повышение ее эффективности (КПД) за счет выравнивания амплитуд тока вдоль плеч антенны путем распределенного их возбуждения и формирование ненаправленной азимутальной ДН.

Заявленная антенна расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной низкочастотной антенне, содержащей плечи, подключенные к двухпроводной линии питания и размещенные над полупроводящей поверхностью, и в которой каждое плечо включает первый и второй параллельные отрезки проводников, разнесенные друг относительно друга в направлении, перпендикулярном их продольным осям, первый проводник длиной l₁ и второй проводник длиной l₂ выполнены не равной длины, и соотношение их длин выбрано в пределах l₂=(0,4-0,6)l₁. Общее четное число N плеч выбрано из условия N≥4. Плечи размещены от вершины горной возвышенности равномерно по ее склонам.

Примыкающие к вершине горной возвышенности концы первых и вторых отрезков всех плеч подключены соответственно к первому и второму проводникам двухпроводной линии питания. Внешние концы вторых отрезков проводников всех плеч электрически соединены между собой с помощью дополнительных отрезков проводников. Внешние концы первых отрезков проводников всех плеч подключены к заземлителю.

Проводники плеч размещены над полупроводящей поверхностью склонов горной возвышенности на мачтовых опорах.

Проводник плеч могут быть выполнены с диэлектрическим покрытием, и в этом варианте исполнения они могут быть размещены над полупроводящей поверхностью склонов горной вершины на высоте, составляющей толщину этого диэлектрического покрытия, фактически уложены по поверхности склонов.

Заземлитель выполнен в виде N металлических стрежней, погруженных в толщу поверхности склона горной вершины в местах расположения соответствующих N внешних концов первых отрезков проводников плеч и подключенных к ним.

Заземлитель может быть выполнен также в виде заземленного контура из проводников, охватывающего внешние концы первых отрезков всех плеч и подключенного к ним.

В каждом плече нижняя часть первого отрезка проводника длиной (l₁-l₂) выполнена в виде расходящегося пучка проводников.

Благодаря новой совокупности существенных признаков обеспечивается распределенное в двух сечениях возбуждение каждой пары плеч, тем самым достигается меньшее затухание амплитуд высокочастотных (ВЧ) токов вдоль их проводов. Выполнение нижней части первых проводников в каждом плече в виде расходящегося пучка проводников и электрическое соединение концов вторых отрезков всех плеч антенны снижает ее волновое сопротивление, и, следовательно, снижает концентрацию ближнего реактивного поля, что уменьшает потери в полупроводящей среде. Отмеченное в совокупности повышает эффективность антенны, т.е. ее КПД.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленная низкочастотная антенна поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг.1 - общий вид антенны, размещенной на склонах горной возвышенности;

фиг.2 - вариант схемы подключения плеч антенны к двухпроводной линии питания.

фиг.3 - эквивалентная электрическая схема заявленной антенны;

фиг.4 - рисунки, поясняющие принцип работы антенны;

фиг.5 - вариант экспериментального образца заявленной антенны;

фиг.6 - результаты экспериментальных исследований эффективности заявленной антенны;

фиг.7 - результаты экспериментальных исследований характеристик направленности.

Заявленная НЧА, показанная на фиг.1, состоит из четного числа N≥4 плеч (на фиг.1 N=8), размещенных равномерно по склонам горной возвышенности с поверхностным слоем, характеризуемым макроскопическими параметрами: относительной диэлектрической проницаемостью ε_r и удельной проводимостью σ. Каждое плечо выполнено из двух отрезков проводников неравной длины: первого 1 длиной l₁ и второго 2 длиной l₂. Проводники параллельны и разнесены друг относительно друга в направлении, перпендикулярном их продольным осям, на расстояние d. Величину разноса d выбирают с учетом достижения требуемой электрической прочности (исключения электрического пробоя) при заданной мощности передатчика и требования по согласованию антенны с линией питания. При установке проводов в воздухе эти требования будут выполнены при d=0,2÷1 м. Проводники плеч закреплены на вершинах опор 3 на высоте h над поверхностью склонов горной возвышенности, имеющей высоту Н и диаметр у ее основания D. Примыкающие к вершине горной возвышенности концы первых 1 и вторых 2 отрезков проводников всех плеч с помощью, например, короткозамыкающих перемычек 6 и 7 подключены соответственно к первому (точка "а") и второму (точка "б") проводам двухпроводной линии питания 5. Схема узла подключения плеч УПП к линии питания показана на фиг.2. Внешние концы вторых отрезков 2 проводников всех плеч электрически соединены друг с другом с помощью дополнительных отрезков проводников 4 (точки "с" на фиг.1 и 3). Внешние концы первых отрезков 1 проводников всех плеч подключены к заземлителю 8. Заземлитель может быть выполнен в нескольких вариантах. В первом варианте - в виде N металлических стержней, заглубленных в местах размещения внешних соответствующих концов первых отрезков 1 плеч антенны. Во втором варианте - в виде заземленного контура из проводников, охватывающего внешние концы первых отрезов 1 всех плеч и подключенного к ним. На фиг.1 показан второй вариант исполнения заземлителя, на фиг.5 - первый вариант.

Нижняя часть (от точек "с" на фиг.1) первых отрезков 1, т.е. часть длиной (l₁-l₂), может быть выполнена в виде расходящегося пучка проводников. На фиг.1 и 3 пучок включает в себя три проводника. Нижние концы всех проводников, входящих в пучок, также подключены к заземлителю. Угол раствора проводников пучка α выбирают из конструктивных соображений, и его значение зависит от общего числа плеч НЧА, от рельефа склонов горной возвышенности, возможности подключения проводников к заземлителю и лежит в интервале α=10-30°. Двухпроводная линия питания 5 может быть выполнена в виде двухпроводного воздушного фидера, закрепленного на дополнительных опорах, или в виде коаксиального фидера, размещенного по поверхности склона горной возвышенности. В коаксиальном исполнении линии питания роль первого проводника выполняет центральный проводник коаксиального фидера, роль второго - экранная оболочка.

Размещение плеч НЧА по склонам горной возвышенности может отклоняться от строгой азимутальной симметрии из-за особенностей ее рельефа. Экспериментальные исследования показали, что незначительные (в пределах 5-10°) отклонения от азимутальной симметрии размещения плеч антенны по склонам горной возвышенности практически не изменяют электрические параметры НЧА в целом. Четное число N плеч НЧА, необходимое для достижения близкой к равномерной азимутальной ДН и при правильной форме горной возвышенности, должно быть не менее четырех. Максимальное число N выбирают с учетом угла при вершине горной возвышенности и возможных "изломов" склонов, и, как правило, общее число N плеч не превышает 8-10.

Проводники плеч могут быть выполнены с диэлектрическим покрытием. В этом случае их можно размещать без опор непосредственно на поверхности склонов горной возвышенности, т.е. проводники будут находиться над поверхностью на высоте, равной толщине диэлектрической оболочки. В частности, в таком исполнении плечо может представлять отрезок коаксиального фидера, у которого начиная от точки "с" (на удалении l₂ от вершины) с нижней части удалена экранная оболочка.

Заявленная НЧА работает следующим образом. При включении передатчика возбуждающая ЭДС от точек подключения (точки "а" и "б") двухпроводной линии питания 5 к плечам антенны "выносится" в каждой паре плеч в сечения "с" (см. фиг.4а). Т.е. параллельно установленные второй отрезок 2 проводника и участок длиной l₂ первого отрезка 1 проводника в каждом плече выполняют роль двухпроводной линии. Следовательно, каждую пару плеч можно рассмотреть в виде эквивалентного вибратора общей длиной 2 l₁, возбуждаемого в двух сечениях, отстоящих от его середины на расстояния l₂ (см. фиг.4б). В свою очередь, этот вибратор можно представить в виде двух асимметрично возбуждаемых вибраторов в сечениях, отстоящих соответственно слева и справа от их концов на расстояние (l₁-l₂) - фиг.4в. На фиг.4в показано распределение амплитуд тока вдоль плеч каждого из асимметрично возбуждаемых вибраторов, а на фиг.4б - суммарное распределение амплитуд тока как суперпозиции токов двух асимметричных вибраторов. На фиг.4г для сравнения показано распределение амплитуд тока вдоль плеч антенны-прототипа при условии равенства уровней подводимых к антеннам возбуждающих ЭДС.

Из приведенных эпюр видно, что даже без учета затухания тока вдоль проводов из-за потерь в земле в заявленной антенне площадь тока значительно больше, что однозначно указывает на ее большую эффективность. Дополнительно снижение потерь в земле в заявленной антенне достигается выполнением нижней части первого отрезка 1 в каждом плече в виде расходящегося пучка проводов и электрическим соединением всех вторых отрезков 2 в точках "с". Этими мерами снижается волновое сопротивление плеч антенны, и, следовательно, уменьшается концентрация связанного электрического реактивного поля, и, как следствие, достигается уменьшение потерь в полупроводящей подстилающей поверхности.

Общая эквивалентная схема заявленной антенны (при N=8 и при трех проводниках в нижней части первых отрезков 1 во всех плечах) приведена на фиг.3, из которой видно, что антенна возбуждается в восьми вынесенных сечениях. Протяженность проводников от точек возбуждения к ее внешним концам в два раза меньше, чем в антенне-прототипе. Следовательно, при равных условиях затухания тока (одинаковых параметрах ε_r, σ) в заявленной НЧА в сравнении с прототипом в меньшей мере будет происходить затухание амплитуд тока, т.е. она будет эффективней, кроме того, наклон плеч по отношению к горизонтальной поверхности земли увеличивает вертикальную компоненту вектора напряженности электрического поля, которая в меньшей мере затухает при распространении вдоль полупроводящей поверхности.

Азимутальная симметрия схемы обусловливает формирование ненаправленной суммарной азимутальной ДН антенны.

Проверка правомерности теоретических предпосылок выполнена путем экспериментальных измерений эффективности и ДН заявленной антенны и ближайшего аналога методом масштабного моделирования. Реальная антенна предназначалась для работы в диапазоне 15-150 кГц и размещалась на склонах горной возвышенности с параметрами ε_r=10, σ=10^-4 См/м, высотой Н=1000 м и диаметром основания D=5000 м, т.е. окружность основания возвышенности составила примерно 15000 м. Масштаб моделирования составил 1:1000. При этом экспериментальный образец, показанный на фиг.5а, включал восемь плеч (N=8). Каждое плечо выполнено из коаксиального кабеля РК-75 с отрезком длиной l₁ и l₂. Причем с нижней части коаксиального кабеля, образующего плечо антенны, на участке длиной l₁-l₂ была удалена экранная оболочка. У вершины экранные оболочки всех плеч были электрически соединены и подключены к экранной оболочке коаксиальной линии питания, а центральные проводники всех плеч также электрически соединены и подключены к центральному проводнику коаксиальной линии питания (см. фиг.5б). Внешние концы всех первых отрезков 1 проводников заземлены. Внешние концы вторых отрезков 2 (экранные оболочки) электрически соединены между собой дополнительными проводниками 4. Высота возвышенности составила Н=1 м, а диаметр у основания 5 м, параметры подстилающей поверхности: ε_к=4, σ=0,1 См/м.

Макет ближайшего аналога выполнен в виде горизонтального симметричного вибратора, каждое плечо которого имело длину l₁ и размещалось на плоской поверхности земли.

Оценка эффективности проводилась путем измерения уровня поля Е, создаваемого заявленной антенной и ближайшим аналогом, по отношению к полю, создаваемому четвертьволновым вибратором, при условии поддержания равенства мощностей, подводимых к сравниваемым антеннам.

Относительное значение эффективности рассчитывалось как отношение E²/E² _B дБ, где Е и Е_B - уровни измеренного поля соответственно оцениваемой антенны и эталонной (четвертьволновой вертикальный вибратор).

Результаты сравнительных измерений эффективности, представленные на фиг.6, подтверждают более высокую эффективность заявленной НЧА по сравнению с ближайшим аналогом на 12-20 дБ в частотном диапазоне измерений.

Измеренные ДН (фиг.7) также подтверждают возможность формирования азимутальной ДН, близкой к ненаправленной.

Таким образом, при использовании заявленной НЧА достигается сформулированный технический результат.

1. Низкочастотная антенна, содержащая плечи, подключенные к двухпроводной линии питания и размещенные над полупроводящей поверхностью и в которой каждое плечо включает первый и второй параллельные отрезки проводников, разнесенные относительно друг друга в направлении, перпендикулярном их продольным осям, отличающаяся тем, что число N≥4 плеч выбрано четным и они размещены от вершины горной возвышенности равномерно по ее склонам, в каждом плече длины первого l₁ и второго l₂ отрезков проводников выбраны из условия l₁>l₂, примыкающие к вершине горной возвышенности концы первых и вторых отрезков всех плеч подключены соответственно к первому и второму проводникам двухпроводной линии питания, внешние концы вторых отрезков проводников всех плеч электрически соединены между собой с помощью дополнительных отрезков проводников, а внешние концы первых отрезков проводников всех плеч подключены к заземлителю.

2. Низкочастотная антенна по п.1, отличающаяся тем, что отрезки проводников плеч размещены над полупроводящей поверхностью склонов горной возвышенности на мачтовых опорах.

3. Низкочастотная антенна по п.1, отличающаяся тем, что отрезки проводников каждого плеча выполнены с диэлектрическим покрытием и размещены над полупроводящей поверхностью склонов горной возвышенности на высоте, составляющей толщину диэлектрического покрытия.

4. Низкочастотная антенна по п.1, отличающаяся тем, что соотношение длин первого и второго отрезков проводников в каждом плече выбрано в пределах l₂=(0,4-0,6)l₁.

5. Низкочастотная антенна по п.1, отличающаяся тем, что заземлитель выполнен в виде N металлических стержней, погруженных в толщу склона горной возвышенности в местах расположения соответствующих внешних концов первых отрезков проводников плеч и подключенных к ним.

6. Низкочастотная антенна по п.1, отличающаяся тем, что заземлитель выполнен в виде заземленного контура из проводников, охватывающего внешние концы первых отрезков всех плеч и подключенного к ним.