Подземная антенна

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, заявленная подземная антенна (ПА) может быть использована в качестве приемной или передающей антенны в коротковолновом (KB) или в ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах. Техническим результатом от использования ПА является повышение ее эффективности (КПД) и снижение влияния изменений макроскопических параметров среды заложения ПА на ее эффективность. ПА состоит из плоского элемента (ПЭ) в виде ортогональных пар плоских излучателей (ПИ) 1, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды (ППС) с макроскопическими параметрами ε_r1 и σ₁. Внешние концы ПИ 1 электрически соединены с помощью короткозамыкающих проводников к.з. 2. Примыкающие друг к другу концы каждой из пар ПИ 1 с помощью отрезков коаксиального кабеля подключены к фидерным трактам. В ППС выполнен котлован, на дно которого установлен дополнительно металлический экран МЭ. Над МЭ на высоте h₁ закреплен горизонтально ПЭ. Объем котлована между параллельными плоскостями МЭ и ПЭ заполнен грунтом с макроскопическими параметрами ε_r2 и σ₂, а объем котлована между плоскостями ПЭ и границы раздела ППС с воздухом заполнен грунтом с макроскопическими параметрами ε_r3 и σ₃, причем отрезки коаксиальных кабелей установлены вертикально между плоскостями МЭ и ПЭ. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, заявленная подземная антенна (ПА) может быть использована в качестве приемной или передающей антенны в коротковолновом (KB) или в ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах.

Известны ПА, используемые в качестве элемента подземной фазированной антенной решетки (ПФАР), например, по патенту RU №2185697, опубл. 20.07.2002 г. Известная антенна представляет собой два плоских проводника, выполненных в виде равносторонних треугольников и подключенных по принципу самодополнительных структур, размещенных в толще земли параллельно границе раздела земля-воздух.

Недостатком известного аналога является невозможность работы в круговом направлении по азимутальной плоскости, связанной с концентрацией максимума характеристики направленности в осевом направлении относительно антенны.

Известна также ПА, используемая в качестве элемента ПФАР по патенту RU №2170997 от 20.07.2001 г. Антенна-аналог состоит из двух ортогональных плоских излучателей с шунтами, установленных параллельно поверхности земли. Для возбуждения (приема) электромагнитной волны в воздухе в заданном направлении один из плоских излучателей коммутируют на вход (выход) приемника (передатчика), за счет чего возможна работа во всей азимутальной плоскости.

Недостатком данного аналога является его низкий КПД при размещении в относительно высокопроводящих грунтах, обусловленный потерями в полупроводящей земле ближней зоны и излучением в нижнюю среду.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная ПА, используемая в качестве элемента ПФАР по патенту RU №2133531, опубл. 20.07.1999 г., МПК H01Q 21/00. Ближайший аналог (прототип) состоит из двух ортогональных пар излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. Излучатели выполнены в виде четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси и с отличающимися углами α и β при вершинах. Каждый излучатель по поперечной оси электрически соединен с соседним, что образует шунт для повышения диапазонности работы ПА. Каждый из ортогональных излучателей подключен к передатчику через коммутирующее устройство, для изменения направления максимального излучения.

Возбуждение электромагнитного поля в верхнем полупространстве (в воздухе) обусловлено наведением токов проводимости на границе раздела земля-воздух вблизи ПА, величина которых зависит от электрических параметров подстилающей поверхности и уменьшается с увеличением удельной проводимости грунта и увеличением глубины заложения ПА.

Недостатком ближайшего аналога является относительно низкая эффективность (коэффициент полезного действия) из-за существенного затухания излученного поля в полупроводящей среде, а также значительное колебание КУ при воздействии метеоосадков, приводящих к изменениям макроскопических параметров среды заложения ПА.

Целью изобретения является разработка подземной антенны, обеспечивающей повышение ее эффективности (КПД) и снижение влияния метеоосадков, приводящих к изменениям макроскопических параметров среды заложения ПА, на ее эффективность.

Заявленная ПА расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ПА, содержащей плоский элемент, состоящий из двух ортогональных пар плоских излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды с макроскопическими параметрами ε_r1 и σ₁, где ε_r1 - относительная диэлектрическая проницаемость, σ₁ - удельная проводимость среды, внешние концы всех излучателей электрически соединены с помощью короткозамыкающих проводников, примыкающие друг к другу концы каждой из ортогональных пар излучателей с помощью отрезков проводников независимо подключены к коаксиальным кабелям фидерного тракта, в полупроводящей среде выполнен котлован, на дно которого установлен дополнительно металлический экран, над которым на высоте h₁ закреплен горизонтально плоский элемент. Объем котлована между плоскостями металлического экрана и плоского элемента заполнен грунтом с макроскопическими параметрами ε_r2 и σ₂, а объем котлована между плоскостями плоского элемента и границы раздела полупроводящей среды с воздухом заполнен грунтом с макроскопическими параметрами ε_r3 и σ₃. Отрезки проводников установлены вертикально между плоскостями металлического экрана и плоского элемента.

Металлический экран выполнен сетчатым с размерами квадратных ячеек

где λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона волн, , - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость грунта между плоским экраном и плоским элементом, j - мнимая единица.

Плоский элемент выполнен в форме окружности диаметром D_ПЭ, а каждый излучатель выполнен в виде металлической секторной пластины круга диаметром D_ПЭ и с углом α=(45°÷60°).

Котлован выполнен в форме круглого цилиндра, диаметр основания которого D_K выбран из условия D_K=(1,2-1,5)D_ПЭ.

Соотношение модулей относительных комплексных диэлектрических проницаемостей полупроводящей среды и заполняющих грунтов , где λ - длина рабочей волны, выбраны из условия

при ;

при

Длина l каждого излучателя выбрана из условия , где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

Расстояние h₁ между плоскостями металлического экрана и плоского элемента выбрано из условия .

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной ПА обеспечивается слабая зависимость эффективности (КПД) антенны от макроскопических параметров среды заложения и повышения эффективности ПА за счет снижения тепловых потерь в нижнем полупространстве.

Заявленная ПА поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - вид подземной антенны в плане;

на фиг.2 - вид подземной антенны в вертикальном разрезе;

на фиг.3 - схемы подключения фидерного тракта;

на фиг.4 - результаты расчета относительного выигрыша по эффективности заявленной антенны в сравнении с прототипом.

Заявленная ПА, показанная на фиг.1, состоит из плоского элемента, содержащего две пары ортогональных излучателей 1 (на фиг.1 заштрихованы). Каждый излучатель выполнен в виде металлической секторной пластины (МСП) с углом α в круге диаметром D_ПЭ. В частности МСП может быть выполнена со сплошной или сетчатой поверхностью. Внешние концы излучателей 1 соединены между собой короткозамыкающими проводниками 2. Внутренние концы каждой из пар ортогональных излучателей 1-1 и 1'-1' подключены к верхним концам проводников соответственно 5-5 и 5'-5' (см. фиг.3 узел А). В каждой из пар проводников 5-5 и 5'-5' один из них подключен к центральному проводнику коаксиальным кабелем 6(6'), а другим - к его экранной оболочке (см. фиг.3, узел Б, точки с-k и с'-k'). Подключение излучателя к выходу передатчика (входу приемника) осуществляют с помощью коммутирующего устройства (на фиг.3 не показано). Пары проводников 5-5 и 5'-5' могут быть выполнены из коаксиального радиочастотного кабеля без экранной оболочки. Марку кабеля выбирают исходя из требуемой электрической прочности.

Плоский элемент помещен аксиально в цилиндрический котлован 7 диаметром D_K. На дно котлована 7 установлен металлический экран 4, который может быть выполнен различным образом, например сетчатым с квадратной ячейкой размера d_max (см. фиг.1). Излучатели 1 закреплены компланарно относительно металлического экрана на высоте h₁, например, при помощи опорных стоек 3, выполненных из диэлектрика. Проводники 5 установлены вертикально между плоскостями металлического экрана 4 и плоского элемента. Объем котлована 7 между параллельными плоскостями металлического экрана 4 и плоского элемента заполнен грунтом 8 с макроскопическими параметрами ε_r2 и σ₂, а объем котлована 7 между плоскостями плоского элемента и границы раздела полупроводящей среды с воздухом заполнен грунтом 9 с макроскопическими параметрами ε_r3 и σ₃.

Геометрические размеры всех элементов заявленной ПА выбирают исходя из требуемого рабочего диапазона длин волн λ_min÷λ_max и макроскопических параметров среды заложения ε_r1 и σ₁ по следующим соотношениям, определяемых экспериментально:

;

D_K=(1,2-1,5)D_ПЭ;

при ;

при

- длина плеча излучателя 1;

Высоту h₂ грунта 9 выбирают исходя из требуемой устойчивости ПА к вибрационным и ударным нагрузкам, в пределах h₂=(1-1,5) м.

Заявленная ПА работает следующим образом. При подаче возбуждающего напряжения от передатчика по фидерам 6, 6' к точкам питания с-k (c'-k') соответствующей пары излучателей 1-1 (1'-1') на их поверхности возбуждаются токи проводимости. Вторая пара излучателей 1'-1' (1-1), подключенных короткозамыкающими проводниками 2 к внешним концам возбуждаемой пары излучателей, выполняет роль распределенного шунта. Таким образом, заявленная ПА представляет собой симметричный шунтовой вибратор, что обеспечивает работу радиолинии в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия не менее 4-х.

Электромагнитное поле (ЭМП), возбуждаемое токами проводимости, протекающими по поверхности излучателей, распространяется в верхнее и нижнее полупространства относительно плоскости плоского элемента.

ЭМП, излученное в заполнитель с макроскопическими параметрами ε_r2 и σ₂, отражается от металлического экрана 4 и складывается с ЭМП, распространяющимся в верхнее полупространство. Требуемые параметры ε_r2, σ₂ среды заполнения пространства между плоскостями металлического экрана и плоским элементом, а также расстояние h₁ между ними, обеспечивают разность фаз между отраженным ЭМП и распространяющимся в верхнее полупространство, кратную 2π, т.е. синфазность полей в среде с параметрами ε_r3, σ₃, и, следовательно, увеличивают КУ ПА.

Суммарное ЭМП, падающее на границу раздела земля-воздух, возбуждает в воздухе вторичное ЭМП с вертикальной относительно границы раздела компонентой электрического поля. Величина вертикальной составляющей вектора напряженности электрического поля в воздухе вблизи поверхности земли обратно пропорциональна .Таким образом, использование грунта с макроскопическими параметрами ε_r3 и σ₃, при выполнении неравенства , также будет увеличивать КПД заявленной ПА.

Правомерность теоретических рассуждений о возможности достижения технического результата проверена с помощью машинного моделирования и сравнительной численной оценки коэффициентов усиления (КУ) заявленной антенны и прототипа. При этом вычисления проводились для трех различных типов грунта с параметрами ε_r1=5 и σ₁=10^-2, 10^-3, 10^-4 См/м, а геометрические размеры заявленной ПА и прототипа выбраны идентичными и равными l=3 м, α=60°, h₂=0,5 м. Электрические и геометрические пaрaметры грунтов заявленной ПА выбраны: ε_r2=7, ε_r3=10, σ₂=10^-5 См/м, σ₃=10^-4 См/м, h₁=0,2 м при σ₁=10^-2 См/м; ε_r2=ε_r3=4, σ₂=σ₃=10^-4 См/м, h₁=0,3 м при σ₁=10^-3, 10^-4 См/м. Результаты расчетов коэффициентов усиления сравниваемых образцов представлены на фиг.4,а, из которых следует: для высокопроводящих грунтов выигрыш составил 9-13 дБ, среднепроводящих - 4-7 дБ, а низкопроводящих - до 2 дБ.

Макроскопические параметры грунта заложения ПА ε_r1 и σ₁ могут изменяться под воздействием метеоосадков, изменение удельной проводимости грунта может варьироваться в пределах одного-двух порядков. На фиг.4,б представлены значения коэффициента усиления заявленной ПА и прототипа относительно изотропного излучателя при изменении удельной проводимости грунта заложения от σ₁=10^-2 См/м до σ₁=10^-3 См/м. Изменение коэффициента усиления прототипа составляет порядка 5-6 дБ, а заявленной ПА - не более 1,5 дБ.

Таким образом, полученные результаты подтвердили возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной ПА, т.е. возможность повышения ее эффективности (КПД и КУ) и снижение влияния изменения макроскопических параметров на эффективность антенны.

1. Подземная антенна, содержащая плоский элемент, состоящий из двух ортогональных пар плоских излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды с макроскопическими параметрами ε_r1 и σ₁, где ε_r1 - относительная диэлектрическая проницаемость, σ₁ - удельная проводимость среды, внешние концы всех излучателей электрически соединены с помощью короткозамыкающих проводников, примыкающие друг к другу концы каждой из ортогональных пар излучателей с помощью отрезков проводников независимо подключены к коаксиальным кабелям фидерного тракта, отличающаяся тем, что в полупроводящей среде выполнен котлован, на дно которого установлен дополнительно металлический экран, над которым на высоте , где λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн, - модуль комплексной диэлектрической проницаемости заполняющего грунта с макроскопическими параметрами ε_r2 и σ₂, в объеме котлована между плоскостями металлического экрана и плоского элемента закреплен горизонтально плоский элемент, а объем котлована между плоскостями плоского элемента и границей раздела полупроводящей среды с воздухом заполнен грунтом с макроскопическими параметрами ε_r3 и σ₃, причем отрезки проводников установлены вертикально между плоскостями металлического экрана и плоского элемента.

2. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлический экран выполнен сетчатым с размерами квадратных ячеек , где λ_min - минимальная длина волны рабочего диапазона волн, , - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость грунта между плоским экраном и плоским элементом.

3. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что плоский элемент выполнен в форме окружности диаметром D_ПЭ, а каждый его излучатель выполнен в виде металлической секторной пластины круга диаметром D_ПЭ и с углом α=45÷60°.

4. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что котлован выполнен в форме круглого цилиндра, диаметр основания которого D_K выбран из условия D_K=(1,2-1,5)D_ПЭ.

5. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что соотношение модулей относительных комплексных диэлектрических проницаемостей полупроводящей среды и заполняющих грунтов где j - мнимая единица, λ - длина рабочей волны, выбраны из условия
при
при

6. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина l каждого излучателя выбрана из условия где - модуль относительной комплексной диэлектрической проницаемости заполняющего грунта с макроскопическими параметрами ε_r3 и σ₃.