Подземная ультракоротковолновая антенная решетка

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве передающей подземной ультракоротковолновой (УКВ) антенной решетки (АР) зенитного излучения. Техническим результатом при использовании УКВ АР является достижение более высокого коэффициента усиления при минимизации материальных затрат на построение и эксплуатацию антенны. УКВ АР состоит из группы параллельных друг другу излучателей, установленных горизонтально в скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте. Скважины пробурены в несколько ярусов по N скважин в каждом ярусе. Каждый излучатель выполнен в виде симметричного вибратора из металлических труб, подключенных с помощью отрезков симметричного фидера к тракту питания. Причем излучатель n-го яруса запитан относительно излучателя (n+1)-го яруса с фазовым сдвигом, обеспечивающим синфазное сложение электромагнитных полей всех излучателей на границе раздела «воздух-земля». 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, в частности, заявленная антенна может быть использована в качестве передающей подземной ультракоротковолновой (УКВ) антенной решетки (АР) зенитного излучения.

Известны подземные АР по патенту США №4687445, 1987, представляющие собой решетки из симметричных вибраторов (СВ), размещенных в полупроводящем грунте, характеризуемом относительной комплексной диэлектрической проницаемостью , где ε_r, σ, λ_max - соответственно: относительная диэлектрическая проницаемость, удельная проводимость грунта и длина рабочей волны.

Однако известные АР обладают низкой эффективностью (малым коэффициентом усиления - КУ) в силу быстрого затухания амплитуд тока вдоль плеч СВ.

Известна также подземная АР, описанная в пат. США №3435457, от 25.03.1969 г.

Известная АР состоит из группы параллельных СВ, плечи каждого из которых размещены в горизонтальных скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте. СВ с помощью фидерного тракта подключены в параллель к выходу радиопередатчика, размещенного в бункере, также заглубленном в грунте.

Однако известная АР обладает низким КУ, что объясняется относительно малыми электрическими размерами плеч СВ и большим затуханием амплитуд тока в вибраторах из-за их установки непосредственно в полупроводящем грунте.

Наиболее близким к заявленной антенне аналогом (прототипом) по своей технической сущности является «Подземная антенна» по Патенту РФ №2115980, МПК H01Q 21/00, опубл. 20.07.1998 Бюлл.№20.

Известная подземная антенна состоит из группы параллельных друг другу излучателей в виде симметричных вибраторов, установленных в горизонтальных скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте. Скважины размещены в двух ярусах в противоположных стенках бункера, заглубленного в грунте и снабженного металлическим экраном. СВ подключены с помощью фидерного тракта к выходу радиопередатчика. Ярусы скважин разнесены на расстояние h, а в каждом ярусе скважины разнесены по горизонтали на расстояние d. Каждое плечо СВ выполнено в виде двух соосно установленных в соответствующую скважину металлических труб, к примыкающим торцам которых подключена фидерная линия.

Такая подземная АР по сравнению с рассмотренными аналогами обладает более высоким КУ.

Однако ближайший аналог имеет недостатки:

относительно низкий КУ, обусловленный тем, что даже при больших размерах плеч, их действующая длина остается малой в силу быстрого затухания вдоль них амплитуд тока;

антенная решетка практически ремонтонепригодна, т.к. при необходимости замены вышедшего из строя плеча необходимо проведение ремонтных работ, требующих неоправданно больших материальных затрат.

Целью изобретения является разработка подземной УКВ антенной решетки, обеспечивающей более высокий КУ и требующей минимальных материальных затрат при необходимости замены вышедшего из строя излучателя.

Заявленная подземная АР расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, в известной подземной УКВ АР, содержащей группу параллельных друг другу излучателей, установленных в горизонтальных скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте в N≥2 ярусах по M≥2 скважин в каждом ярусе. Оси скважин, принадлежащих n-му и (n-1)-му ярусам, где n=1, 2,…,N, смещены друг относительно друга по вертикали на расстояние , где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн антенны.

Оси скважин в каждом ярусе смещены друг относительно друга на расстояние d=h. Излучатели с помощью фидерного тракта подключены к выходу радиопередатчика (РПрд), размещенного в бункере, который заглублен в полупроводящем грунте и снабжен металлическим экраном.

Новым является также то, что скважины диаметром Dc пробурены в одной из вертикальных стенок бункера, в каждую скважину установлена диэлектрическая труба диаметром D_т, в полости которой размещены соосно по два излучателя. Каждый излучатель выполнен в виде СВ. Плечи СВ в форме металлических труб диаметром D_т имеют длину , где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн антенны. К примыкающим торцам труб, образующих плечи СВ, подключена симметричная фидерная линия, размещенная в полости труб и внешним концом подключенная к фидерному тракту. Излучатели (n+1)-го яруса запитаны с фазовым сдвигом Δφ относительно излучателей n-го яруса, при котором обеспечивается синфазное сложение электромагнитных полей (ЭМП) всех излучателей на границе раздела «воздух-земля». Фидерный тракт состоит из N уровней делителей мощности на два, выполненных по бинарной схеме с включением согласующих трансформаторов на отрезках фидера и N·M делителей мощности на четыре, выполненных по трансформаторной схеме. В тракт каждого яруса излучателей включен фазовращатель, выполненный на коммутируемых отрезках коаксиального фидера. Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков в заявленной АР обеспечивается синфазное сложение ЭМП всех излучателей, при одновременном упрощении процессов замены вышедших из строя излучателей, не требующей существенных временных и материальных затрат.

Заявленная подземная УКВ АР поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - общая схема размещения АР;

на фиг.2 - вид АР в плане;

на фиг.3 - вид АР в вертикальной плоскости;

на фиг.4 - конструкция излучателя;

на фиг.5 - схема установки фидерного тракта;

на фиг.6 - вариант установки фидерного тракта в бункере;

на фиг.7, 8 - результаты экспериментальных характеристик АР.

Подземная УКВ АР, показанная на фиг.1, размещена следующим образом. От основного подземного туннеля 1 (фиг.1) через туннель-тупик 2 вырубают камеру 3, в которой устанавливают РПрд 4. Камера 3 оборудована металлическими экраном 5 и металлическими экранирующими воротами 6. В одной из боковых стенок камеры 3 пробурены N уровней скважин 7 с разносом по высоте h (см. так же фиг.2 и 3). На фиг.3 показаны четыре уровня скважин, т.е. N=4. В каждом уровне пробурены по М скважин 7 с интервалом d друг относительно друга (см. фиг.2). На фиг.1, 2 показано по четыре скважины 7 в каждом ярусе, т.е. M=4. В каждую скважину 7 диаметром D_c и длиной L_c установлена диэлектрическая труба 8 диаметром D_т<D_с (см. фиг.4). В свою очередь в каждую диэлектрическую трубу 8 установлен излучатель, конструкция которого показана на фиг.4.

Излучатель представляет собой два соосно установленных СВ 9, плечи которых длиной по L_и выполнены в виде металлических труб диаметром D_и<D_т. СВ 9 разделены зазором «к». Плечи каждого СВ 9 установлены с зазором Δ. К примыкающим кромкам плеч СВ 9 подключен центральными проводниками (точки а-а') симметричный фидер 10, который выполнен из двух коаксиальных фидеров, оплетки которых электрически соединены (точки «б»).

Симметричные фидеры 10, подключенные к СВ 9, уложены в полости труб и их внешние концы снабжены коаксиальными соединителями 12 для подключения к фидерному тракту.

Фидерный тракт, схема которого показана на фиг.5, включает N уровней (по числу ярусов, в рассматриваемом варианте N=4) делителей мощности на два 12. В частности они могут быть выполнены на отрезках фидера по бинарной схеме с включением согласующих трансформаторов на отрезках фидера (на фиг.5 не показаны). Подобные бинарные схемы известны, в частности, приведены в описании патента РФ №2115980 на с.8 и фиг.3. Порядок расчета таких делителей мощности известен и описан, например, в книгах СИ. Надененко. Антенны. - М.: 1959, с.489; Д.М.Сазонов и др. Устройства СВЧ. - М.: 1981, с.45.

Исходными данными для расчета схемы делителя мощности являются значения волнового сопротивления фидера на входе делителя и число запитываемых вибраторов.

Выходы делителя мощности на два 12 N-го уровня подключены к входам соответствующих делителей на четыре 13. Общее число делителей мощности на четыре 13 определяется произведением N·M. В рассмотренном случае N=M=4, т.е. общее число делителей мощности на четыре 13 равно N×M=16. Делители мощности на четыре 13 могут быть выполнены различным образом, в частности по известной трансформаторной схеме.

Выходы делителей мощности на четыре 13 с помощью симметричных фидеров 10 подключены к соответствующим СВ 9 (в точках а-а' на фиг.4).

Вход делителя мощности на два 12 первого уровня (см. фиг.5) с помощью коаксиального фидера 17 подключен к выходу РПрд 4.

Для обеспечения синфазного сложения электромагнитных полей на границе раздела «воздух-земля» от всех СВ 9, в фидерный тракт каждого яруса включены фазовращатели 14.

Фазовращатели 14 могут быть выполнены на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля. Соответствующий сдвиг по фазе между ярусами СВ 9 определяется величиной разноса ярусов h и рабочей частотой. Порядок расчета коммутируемого фазовращателя на отрезках коаксиального кабеля известен и приведен, например, в описании патента РФ №2115980.

Для достижения синфазности возбуждения пары СВ 9, установленных в каждой из скважин 7, длины симметричных кабелей 10, от точек их подключения к фидерному тракту (к выходам соответствующего делителя мощности на четыре) до точек (а-а') их подключения к плечам СВ 9 выбирают равной длины.

Вариант конструктивной установки делителей мощности показан на фиг.6. Непосредственно над скважинами 7 соответствующего яруса установлены кронштейны 15, на которых закреплены делители мощности 12 и 13. Кроме того, на центральной стойке 16 также закреплены делители мощности на два 13. На фиг.6 размещение фазовращателей 14 не показано.

Заявленная подземная УКВ АР работает следующим образом. С выхода РПрд мощность по фидеру 17 подается на фидерный тракт (фиг.5). Последовательно проходя делители мощности на два 12, на вход каждого делителя мощности на четыре 13 мощность от РПрд 4 поступает равной величины. С выходов делителей мощности на четыре 13 с помощью кабелей 10 мощность подается к зазорам плеч 9 каждой пары СВ, установленных в соответствующей скважине 7. В тракт каждого яруса СВ включены фазовращатели, благодаря чему на зазорах между плечами каждого из СВ возникают равноамплитудные и сдвинутые по фазе между СВ ярусов возбуждающие ЭДС, а электромагнитные поля на границе раздела «воздух-земля», от всех излучателей складываются синфазно, чем достигается как увеличение излучаемой мощности, так и формирование максимума ДН, ориентированного в зенит. При такой схеме АР, с одной стороны, обеспечивается возможность размещения в каждой скважине по два СВ, с другой - снижаются материальные затраты на построение АР, Кроме того, каждая пара СВ представляет собой самостоятельный модуль (фиг.4), легко устанавливаемый или извлекаемый из скважины 7. Такая конструкция снижает временные и материальные затраты, связанные с заменой модуля в случае его выхода из строя.

При выбранной схеме размещения СВ АР минимизация взаимного влияния СВ друг на друга и снижение общих габаритов АР обеспечивается вертикальным разносом h и горизонтальным смещением d осей СВ.

Поверка работоспособности и возможности достижения технического результата осуществлена с помощью опытного образца, имеющего следующие характеристики: N=4; М=4; ε_r=4; σ=10^-4 См/м диапазон рабочих частот 30-60 МГц, т.е. λ_max=10 м; λ_ср≈6 м, L_И=0,6 м; L_c=6 м; D_и=65 мм; D_т=72 мм; D_c=76 мм; Δ=10 мм; h=1 м; d=1 м; k=18 мм.

На фиг.7 и фиг.8 приведены результаты измерений КУ заявленной АР и прототипа, а также ДН заявленной АР.

Результаты измерений показывают, что в диапазоне частот выигрыш по КУ составляет 3-8 дБ, что подтверждает возможность достижения сформулированного технического результата при одновременном снижении объема работ (экономических затрат) на построение антенной решетки.

1. Подземная ультракоротковолновая антенная решетка, содержащая группу параллельных друг другу излучателей, установленных в горизонтальных скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте в N≥2 ярусах, по М≥2 скважин в каждом ярусе, причем оси скважин, принадлежащих n-му и (n+1)-му ярусам, где n=1, 2,…,N, смещены друг относительно друга по вертикали на расстояние h, а оси скважин в каждом ярусе смещены друг относительно друга на расстояние d по горизонтали, излучатели с помощью фидерного тракта подключены к выходу радиопередатчика, размещенного в бункере, который заглублен в полупроводящем грунте и снабжен металлическим экраном, отличающаяся тем, что скважины диаметром D_c пробурены в одной из вертикальных стенок бункера, в каждую скважину установлена диэлектрическая труба диаметром D_т, в полости которой размещены соосно по два излучателя, каждый из которых выполнен в виде симметричного вибратора с плечами в форме металлических труб, длиной L_и, к примыкающим торцам плеч каждого симметричного вибратора подключена соответствующая симметричная фидерная линия, размещенная в полости труб и внешним концом подключенная в фидерному тракту, причем излучатели (n+1)-го яруса запитаны относительно излучателей n-го яруса с фазовым сдвигом Δφ, обеспечивающим синфазное сложение электромагнитных полей всех излучателей на границе раздела «воздух - земля».

2. Подземная ультракоротковолновая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что длина L_и каждого плеча симметричного вибратора выбрана из условия

где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн;

ε_r и σ - относительная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость грунта, в котором пробурены скважины.

3. Подземная ультракоротковолновая антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние h между ярусами скважин и расстояние d между скважинами в каждом ярусе выбраны в интервале

где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн.

4. Подземная ультракоротковолновая антенна решетка по п.1, отличающаяся тем, что фидерный тракт состоит из N уровней делителей мощности на два, выполненных по бинарной схеме, и N·M делителей мощности на четыре, выполненных по трансформаторной схеме, с включением в тракт каждого яруса излучателей фазовращателей на коммутируемых отрезках коаксиального фидера.