Подземная антенна

Подземная антенна

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, в частности заявленная подземная антенна (ПА) может быть использована в качестве передающей в радиолиниях сверхдлинных, длинных и средних волн.

Известна ПА по патенту США №3435457 от 25.03.1969 г., состоящая из вертикального излучателя, установленного в скважине, пробуренной в земле, противовеса в виде экрана из проводников или металлической пластины, размещенного в основании скважины. Питание антенны осуществляется посредством коаксиального фидера, экранная оболочка которого подключена к противовесу, а центральный проводник к основанию вертикального излучателя. Верхний конец вертикального излучателя подключен к емкостной нагрузке, выполненной в виде металлического диска.

Недостатком данной антенны является относительно низкий коэффициент усиления (КУ), обусловленный, с одной стороны, потерями в индуктивных элементах настройки, обладающих невысокой добротностью, с другой - потерями в окружающей излучатель среде, вызванных существованием связанного реактивного электрического поля высокой концентрации.

Известна ПА, описанная в работе С.R.Burrows. Radio Communication Within the Earth′s Crust. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1963, May, vol.11, pp.311-317, Fig.5. ПА состоит из линейного изолированного проводника, установленного в вертикальной скважине. Верхний конец проводника подключен к несимметричному выходу передатчика. Нижний конец имеет контакт с поверхностью скважины, выполняющей роль заземлителя.

Однако известная антенна имеет недостаток - низкий коэффициент полезного действия (КПД), обусловленный малыми электрическими размерами антенны и относительно высоким сопротивлением заземлителя.

Наиболее близкой по своей сущности к заявленной является ПА по патенту США №3346864 от 09.09.1966 г., МПК 7 H01Q 1/04. ПА-прототип состоит из симметричных вибраторов (СВ), размещенных в скважинах, пробуренных в толще земной возвышенности (горы) параллельно ее склонам. Каждый СВ подключен с помощью коаксиального фидера к передатчику. Для сложения мощностей, излучаемых отдельными СВ, в ПА предусмотрено их фазирование. При такой конструкции ПА в структуре излучающего ею электромагнитного поля (ЭМП) появляется вертикальная компонента вектора напряженности электрического поля, что снижает затухание ЭМП в зоне, существенной для формирования диаграммы направленности (ДН).

Недостатком ближайшего аналога является относительно низкий коэффициент усиления (КУ), что обусловлено значительным затуханием амплитуд тока вдоль плеч СВ из-за потерь в полупроводящей среде.

Целью изобретения являются разработка подземной антенны, обеспечивающей повышение ее коэффициента усиления (КУ) путем снижения концентрации ближнего реактивного связанного электромагнитного поля (ЭМП), и уменьшение потерь в окружающей антенну полупроводящей среде.

Заявленное устройство расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ПА, содержащей N≥2 излучателей, подключенных к коаксиальному фидеру и установленных в скважинах, пробуренных в толще земной возвышенности параллельно ее склонам, каждый из излучателей выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля, в средней части которого в экранной оболочке выполнен разрез. Верхние концы излучателей электрически соединены друг с другом, а нижние с помощью дополнительных отрезков коаксиального кабеля подключены в параллель к коаксиальному фидеру. Общее число N излучателей выбрано четным.

Благодаря новой совокупности существенных признаков обеспечивается возможность распределенного возбуждения системы излучателей, снижение общего волнового сопротивления антенны, что снижает концентрацию связанного реактивного поля и, следовательно, уменьшает потери в окружающей излучатель полупроводящей среде, т.е. увеличивает КУ.

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 заявляемого объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, из которого не выявлена также известность влияния преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявляемого изобретения, на достижение указанного результата, что позволяет считать заявляемый объект соответствующим условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленная подземная антенна поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общий вид антенны;

на фиг.2 - вид антенны в вертикальном разрезе;

на фиг.3 - вид антенны в плане;

на фиг.4 - эквивалентные схемы, поясняющие принцип работы ПА;

на фиг.5 - результаты расчета относительного выигрыша по эффективности заявленной антенны в сравнении с прототипом.

Заявленная ПА, показанная на фиг.1-3, состоит из четного числа N излучателей 1 (на фиг.1 показано N=4). Каждый излучатель 1 длиной l размещен в скважине 2 диаметром D (см. поз.II на фиг.2), пробуренной параллельно склону земной возвышенности 3, с электрическими параметрами и σ, на средней глубине h от границы раздела сред (земля-воздух). Каждый излучатель 1 выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля, в средней части которого в экранной оболочке выполнен разрез 4 (см. поз.I на фиг.2). В месте разреза экранная оболочка верхней части излучателя может быть дополнительно соединена с центральным проводником (точка «а» поз.I на фиг.2). Верхние концы всех излучателей 1 электрически соединены (точка «с» на фиг.1, 2). Нижние концы излучателей 1 с помощью дополнительных отрезков 5 коаксиального кабеля подключены к коаксиальному фидеру 6 в параллель. Коаксиальный фидер 6 к дополнительным отрезкам 5 коаксиального кабеля подключен с помощью узла подключения (УП) 7 (см. фиг.3б).

Излучатели 1 могут быть заключены в дополнительную диэлектрическую оболочку 8 (см. поз.II на фиг.2).

Излучатели 1, дополнительные отрезки 5 коаксиального кабеля и коаксиальный фидер 6 могут быть выполнены из коаксиального кабеля, например, марки РК-75-44-1, длину l излучателя 1 выбирают исходя из условия , где λ_ср - средняя длина волны рабочего диапазона частот, а ε′_r=ε_r+60σλ_ср - комплексная диэлектрическая проницаемость среды, ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость; σ - удельная проводимость.

Глубину h расположения скважин 2 относительно боковой поверхности ЗВ 3 выбирают не более глубины скин-слоя, рассчитанной для минимальной длины волны рабочего диапазона волн антенны с учетом макроскопических параметров среды заложения и σ. Толщина земного слоя над скважиной 2 может изменяться на 15-20% из-за неровностей рельефа склона 3, что практически не влияет на электрические параметры антенны в целом.

Четное число излучателей ПА N, необходимо для достижения близкой к равномерной азимутальной ДН. При близкой к осесимметричной форме земной возвышенности это требование выполняется уже при N=4. Максимальное число N выбирают с учетом угла при вершине горной возвышенности и, как правило, общее число N излучателей 1 не превышает 8-10.

Заявленная ПА работает следующим образом. При включении передатчика возбуждающая ЭДС от точек а-а коаксиального фидера 6 на входе УП 7 «выносится» в середину излучателей 1 в сечения b-b (см. фиг.4а). Этим достигается равноамплитудное и синфазное возбуждение всех излучателей 1. При этом два противоположных излучателя 1 можно рассматривать как эквивалентную рамочную антенну с двумя синфазными генераторами, включенными в середины их боковых сторон (фиг.4б). Анализ распределения амплитуд токов в такой рамке можно провести методом суперпозиции токов в двух рамках (фиг.4в и 4г), каждая из которых возбуждается одним генератором. Путем наложения амплитуд токов двух рамок суммарное распределение токов I_∑ от двух генераторов принимает вид, показанный на фиг.4д. Из рисунка на фиг.4д видно, что токи, протекающие по боковым сторонам рамки, синфазны (направлены от вершины к склону ЗВ) и их амплитуды равны, а токи, протекающие по нижней стороне рамки (вдоль дополнительных отрезков коаксиальных кабелей 5), противофазны и взаимно компенсируются. Таким образом, включение излучателей по данной схеме эквивалентно возбуждению рамочного излучателя, имеющего индуктивный характер реактивной части входного сопротивления при условии, если общий периметр рамки не меньше половины длины волны в среде. Последнее в НЧ-диапазоне выполняется всегда.

Учитывая, что токи в излучателях 1 ориентированы одинаково, общая структура ПА может быть представлена как объемный вибратор с существенно более низким волновым сопротивлением по сравнению с одиночным излучателем. Отмеченное существенно снижает плотность тока вдоль проводов излучателя 1 и, следовательно, снижает концентрацию ближнего реактивного поля, что обуславливает снижение тепловых потерь в окружающей антенну полупроводящей среде.

Кроме того, в структуре ЭМВ, вышедшей в верхнее полупространство (в воздух), преобладает вертикальная компонента E_В вектора напряженности электрического поля Е (горизонтальные компоненты Е_Г взаимнокомпенсируются), что дополнительно уменьшает потери вышедшей ЭМВ в зоне, существенной для формирования ДН. Все это приводит к повышению КУ-антенны.

Правомерность теоретических рассуждений о возможности достижения технического результата проверена с помощью машинного моделирования и сравнительной численной оценки коэффициентов усиления заявленной антенны и прототипа. При этом число излучателей принималось N=4, глубина заложения излучателей h=100 м, макроскопические параметры среды ЗВ удельная проводимость σ=10^-5 См/м, относительная диэлектрическая проницаемость ε_r=20. Параметры дополнительной диэлектрической оболочки 8 ε_r=60, диапазон рабочих частот 20-30 кГц. При расчетах конструктивные размеры заявленной ПА принимались следующие: l=650 м, D=5 м. На фиг.5 приведены результаты расчета относительного выигрыша по КУ (ΔG_[дБ]) заявленной антенны в сравнении с прототипом, из которых следует, что в рабочем диапазоне выигрыш ΔG составляет для конструкции антенны, при которой излучатели уложены в скважины 2-3 дБ (без дополнительной диэлектрической оболочки 8), а для конструкции с дополнительной диэлектрической оболочкой 8 - 5-7 дБ.

Таким образом, полученные результаты подтвердили возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной ПА, т.е. возможность повышения ее КУ.

Подземная антенна, содержащая N≥2 излучателей, подключенных к коаксиальному фидеру и установленных в скважинах, пробуренных в толще земной возвышенности параллельно ее склонам, отличающаяся тем, что каждый из излучателей выполнен в виде отрезка коаксиального кабеля, в средней части которого в экранной оболочке выполнен разрез, причем верхние концы излучателей электрически соединены друг с другом, а их нижние концы с помощью дополнительных отрезков коаксиального кабеля подключены в параллель к коаксиальному фидеру, причем общее количество излучателей N выбрано четным.