подземная антенна

Формула изобретения

1. Подземная антенна, включающая группу параллельных друг другу симметричных вибраторов, плечи каждого из которых установлены в горизонтальных скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте и подключенных к выходу передатчика, размещенного в бункере, заглубленном в полупроводящем грунте, отличающаяся тем, что бункер окружен металлическим экраном, скважины пробурены симметрично по обе стороны бункера на двух ярусах, которые разнесены по вертикали на расстоянии h, причем оси скважин каждого уровня смещены друг относительно друга в горизонтальной плоскости на расстояние d, при этом плоскости размещены скважин первого и второго ярусов параллельны, каждое плечо общей длиной l симметричных вибраторов выполнено в виде двух соосно установленных в соответствующую скважину и изолированных от ее стенок отрезков металлических труб с длинами l₁ и l₂, скрепленных между собой диэлектрической вставкой, причем часть длиной l₃ отрезка металлической трубы, примыкающего к бункеру, через отверстие в нем и металлическом экране установлена во внутреннем объеме бункера и механически и кондуктивно скреплена с экраном, выход передатчика подключен к входу делителя мощности между вибраторами первого и второго ярусов, первый выход которого через фазовращатель подключен к входу делителя мощности между вибраторами первого яруса, а второй - непосредственно к входу делителя мощности между вибраторами второго яруса, делители мощности между вибраторами каждого из ярусов снабжены выходами по числу плеч симметричных вибраторов в данном ярусе, к которым подключены дополнительные отрезки фидера, каждый дополнительный отрезок фидера установлен в полости примыкающего к бункеру отрезка трубы соответствующего плеча симметричного вибратора и подключен экранной оболочкой к внешнему торцу этого отрезка трубы, а центральным проводником - к примыкающему к диэлектрической вставке торцу периферийного отрезка трубы этого же плеча.

2. Антенна по п. 1, отличающаяся тем, что длина каждого плеча симметричного вибратора выбрана из условия



где _max - - максимальная длина волны рабочего диапазона волн;

- относительная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость грунта, в котором пробурены скважины;

i - мнимая единица,

соотношения длин отрезков труб l₁, l₂ и l₃, образующих каждое плечо симметричных вибраторов, выбраны в пределах

l₁/l₂=1 - 19; l₃=0,05 l,

расстояние между ярусами подземной антенны выбрано в интервале



где _ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн,

расстояние между вибраторами в каждом ярусе выбрано в интервале



расстояние d, на которое смещены оси скважин каждого уровня друг относительно друга, выбрано из условия d = 0,5d.з

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, предлагаемая подземная антенна (ПА) может быть использована в качестве передающей антенны декаметрового диапазона волн при необходимости ее размещения в полупроводящей среде, например в скальном грунте.

Известны ПА (патент США, НКИ 343-719 N 4687445, 1987), представляющие собой решетки из симметричных вибраторов, размещенных в полупроводящем грунте и подключенных к выходу передатчика. Однако известные ПА обладают низкой эффективностью (малыми КПД и коэффициентом усиления (КУ) в силу быстрого затухания амплитуд токов вдоль плеч вибратора. По этой причине плечи вибраторов выполняются электрически короткими. Для достижения требуемого КУ в этих условиях увеличивают общее количество вибраторов в решетке, что в свою очередь делает ПА громоздкой, требующей больших площадей для ее установки.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная ПА из источника [1].

Антенна - прототип состоит из группы параллельных друг другу симметричных вибраторов, плечи каждого из которых установлены в горизонтальных скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте. Вибраторы с помощью фидера параллельно подключены к выходу передатчика, размещенного в бункере, также заглубленном в полупроводящем грунте (в частности, в скальном грунте). Приемлемая эффективность (КУ) данной антенны достигается параллельным включением группы симметричных вибраторов.

Однако антенна - прототип обладает низким КУ. Это объясняется, прежде всего, малыми электрическими размерами (соотношением длины плеча вибратора l к длине рабочей волны ) вибраторов. Необходимость использования дополнительного фидера между несогласованными входами вибраторов и выходом передатчика усложняет согласование антенны, вносит дополнительные потери. Параллельное подключение к общему фидеру нескольких разнесенных в пространстве вибраторов приводит к нарушению синфазности их возбуждения, что в свою очередь снижает реально достижимый КУ ПА. Дополнительно в качестве недостатка можно указать на технологические трудности реализации прототипа. Эти трудности связаны с необходимостью установки в стенках бункера проходных изоляторов для подключения двухпроводного фидера от выхода передатчика. При этом в бункере появляются радиопрозрачные отверстия, а между установленными в них проводниками возникают перенапряжения. Это снижает механическую прочность бункера и биологическую защиту персонала.

Целью изобретения является разработка ПА, обеспечивающая более высокую эффективность КУ при одновременном снижении площади антенны, повышении ее механической прочности и биологической защиты персонала.

Поставленная цель достигается тем, что в известной подземной антенне, включающей группу параллельных симметричных вибраторов, плечи каждого из которых установлены в горизонтальных скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте и подключенных к выходу передатчика, размещенного в бункере, заглубленном в полупроводящем грунте, бункер окружен металлическим экраном. Скважины пробурены симметрично по обе стороны бункера на двух ярусах. Ярусы разнесены по вертикали на расстояние h. Оси скважин каждого яруса смещены друг относительно друга в горизонтальной плоскости на расстояние d. Плоскости размещения скважин в первом и втором ярусах параллельны. Каждое плечо общей длиной l симметричных вибраторов выполнено в виде двух соосно установленных в соответствующую скважину отрезков труб с длинами l₁ и l₂. Отрезки труб изолированы от стенок скважин и скреплены друг с другом диэлектрической вставкой. Часть отрезка трубы, примыкающего к бункеру, через отверстие в нем и металлическом экране установлена во внутреннем объеме бункера. Часть отрезка трубы, установленная во внутреннем объеме бункера, имеет длину l₃, механически скреплена с металлическим экраном и имеет с ним кондуктивную связь. Выход передатчика подключен к входу делителя мощности между вибраторами первого и второго ярусов, первый выход которого через фазовращатель подключен к входу делителя мощности между вибраторами первого яруса, а второй - непосредственно к входу делителя мощности между вибраторами второго яруса.

Каждый делитель мощности между вибраторами соответствующего яруса снабжен выходами по числу вибраторов в данном ярусе. К каждому из этих выходов подключен дополнительный отрезок фидера, который установлен в полости отрезка трубы, примыкающего к бункеру и принадлежащего плечу соответствующего симметричного вибратора, и подключен экранной оболочкой к внешнему торцу этого отрезка трубы, а центральным проводником - к примыкающему к диэлектрической вставке торцу периферийного отрезка трубы этого же плеча.

Длина l каждого плеча симметричного вибратора выбрана из условия



где _max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн;



_r и - относительная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость грунта, в котором пробурены скважины, i - мнимая единица.

Соотношения длин отрезков труб l₁, l₂ и l₃, образующих каждое плечо симметричных вибраторов, выбраны в пределах l₁/l₂ 1 ^oC 19, l₃ = 0,05l.

Расстояние между ярусами подземной антенны выбрано в интервале



где _ср - средняя длина волны рабочего диапазона волн.

Расстояние между вибраторами в каждом ярусе выбрано в интервале Расстояние d, на которое смещены друг относительно друга оси скважин, принадлежащие первому и второму ярусам, выбраны из условия d = 0,5d.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков в заявленной ПА обеспечивается увеличение действующей длины каждого вибратора, т. к. достигается "распределенное" его возбуждение (в двух сечениях) и включение в общую излучающую систему собственно металлического экрана бункера.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественным признакам заявленной ПА, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной ПА, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного устройства преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показан общий вид антенны: а) вид в плане; б) вид с торца; в) вид сбоку; на фиг. 2 - рисунки а), б), поясняющие конструкцию плеч вибраторов; на фиг. 3 - схема делителя мощности между вибраторами яруса; на фиг. 4 - схема делителя мощности между ярусами; на фиг. 5 - схема фазовращателя; на фиг. 6 - рисунки, а), б) поясняющие принцип работы антенны; на фиг. 7 - результаты расчета относительного выигрыша по эффективности заявленной антенны в сравнении с прототипом.

Заявленная подземная антенна, показанная на фиг. 1, состоит из бункера 1 с габаритами H x B x D, заглубленного в полупроводящем грунте 2 с диэлектрической проницаемостью _r и удельной проводимостью см/м. В частном случае это может быть скальный грунт. Бункер 1 окружен металлическим экраном 3. Симметрично по обе стороны от бункера пробурены на двух ярусах горизонтальные и параллельные друг другу скважины 4 диаметром 2R. Скважины в каждом ярусе установлены в одной плоскости на расстоянии d друг от друга, а плоскости первого (на фиг. 1, б - верхнего) и второго (на фиг. 1, б - нижнего) ярусов параллельны и разнесены по вертикали на расстояние h (фиг. 1, б, в). Оси скважин первого (обозначены индексами "а") и второго (обозначены индексами "б") ярусов смещены в горизонтальной плоскости на расстояние d = 0,5d (фиг. 1, в).

В каждую скважину установлено соосно по два отрезка металлических труб 5 и 6 диаметром 2r и имеющих соответственно длины l₁ и l₂, которые образуют соответствующее плечо вибратора общей длиной l = l₁ + l₂ (фиг. 2, а). Отрезки труб 5 и 6 скреплены диэлектрической вставкой 7 толщиной , а пространство между стенками скважин и поверхностью труб заполнено диэлектриком 8. В выражении l = l₁ + l₂ опущена величина , как пренебрежимо малая в сравнении с l₁ и l₂. Отрезки труб 5, примыкающие к бункеру 1, скреплены (например, приварены) с металлическим экраном 3 бункера 1 и имеют с экраном кондуктивную связь. В каждом плече часть длиной l₃ отрезка трубы 5 через отверстие в бункере 1 и экране 3 установлена во внутренней полости бункера 1. Выход передатчика 9, установленного в бункере 1 (фиг. 1, б), подключен к делителю 10 мощности между вибраторами первого и второго ярусов (ДМЯ). Первый выход ДМЯ 10 подключен через фазовращатель 11 к входу делителя 12 мощности между вибраторами первого яруса (ДМВ₁), а второй выход ДМЯ 10 подключен непосредственно к входу делителя 13 мощности между вибраторами второго яруса (ДМВ₂).

Число выходов у ДМВ₁ 12 и у ДМВ₂ 13 равно числу скважин, пробуренных с двух сторон бункера 1, соответственно первого и второго ярусов. Во внутреннюю полость каждого отрезка трубы 5 уложен дополнительный отрезок фидера 14, который экранной оболочкой подключен к внешнему относительно бункера торцу этого отрезка (точки "к" на фиг. 2, а), а центральным проводником через отверстие в диэлектрической вставке 7 - к примыкающему торцу отрезка трубы 6 (точка "с" на фиг. 2, а). Вторые концы дополнительных отрезков фидера 14 подключены к соответствующим выходам ДМВ₁ 12 и ДМВ₂ 13. Из технологических соображений на расположенном в объеме бункера 1 торце трубы 5 может быть установлен на радиогерметичной шайбе 15 высокочастотный (в.ч.) разъем 16, к которому с одной стороны подключена внутренняя часть отрезка фидера 14, а с другой - внешняя его часть, подключаемая к соответствующему выходу ДМВ₁ 12 и ДМВ₂ 13.

Длина каждого плеча симметричного вибратора выбирается из условия а величина При указанных расстояниях можно пренебречь взаимным влиянием вибраторов первого и второго ярусов и минимизировать габариты ПА.

Соотношение длин l₁, l₂ отрезков труб 5 и 6 выбираются в зависимости от параметров полупроводящего грунта и габаритов бункера в интервале l₁/l₂ = 1 ^oC 19, а величина l₃ принимается фиксированной исходя из технологических соображений, например l₃ = 0,05l.

Причем при соотношении l₁ = 19l₂ диэлектрическая вставка 7 оказывается расположенной непосредственно у экрана 3 бункера (фиг. 2, б), и в этом случае l₃= l₂. Толщина диэлектрической вставки 7 выбирается также из конструктивных соображений в пределах (0,3 ^oC 0,5)r. В свою очередь диаметр труб 2r выбирают из условия 2r/l = (0,01 ^oC 0,001), а диаметр скважин 2R = (4^oC5)r. В качестве диэлектрика, заполняющего пространство между стенками скважин и поверхностью труб, может быть использован битум.

Делители мощности между вибраторами первого ДМВ₁ 12 и второго ДМВ₂ 13 ярусами идентичны и могут быть реализованы на отрезках фидера по бинарной схеме (фиг. 3) с включением согласующих трансформаторов на отрезках коаксиальных фидеров. Принципы расчета таких делителей мощности и порядок выбора параметров согласующих трансформаторов на отрезках фидера известны и описаны, например в книгах: С.И. Надененко Антенны. - М.: 1959, с. 489; Д.М. Сазонов, А.Н. Гридин, Б.А. Мишутин Устройства СВЧ. - М.: 1981, с. 45. Исходными данными для расчета схемы делителя являются значения волнового сопротивления фидера на входе делителя, число запитываемых вибраторов (на фиг. 3 приведена схема для четырех симметричных вибраторов на одном ярусе) и входное сопротивление вибратора, которое, как правило, определяется экспериментально.

Делитель мощности между ярусами ДМЯ 10, схема которого показана на фиг. 4, представляет по сути первую ступень бинарной схемы ДМВ₁ (ДМВ₂) и ее параметры рассчитываются аналогично.

Фазовращатель 11 может быть реализован на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля. Один из возможных вариантов схемы фазовращателя показан на фиг. 5. Для достижения синфазного сложения полей, излучаемых вибраторами первого и второго ярусов, достаточно обеспечить сдвиг по фазе с шагом 0,1 рад в общем интервале от 0 до рад. Для выполнения этого условия наибольшая длина L_max фазосдвигающего отрезка кабеля может быть рассчитана из выражения



где _max - наибольшая длина волны рабочего диапазона ПА;

_д - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика в кабеле.

Длина коммутируемых отрезков L составит L = 0,1L_max/.

Заявленное устройство работает следующим образом. При включении передатчика 9 его выходная мощность в ДМЯ делится на две части и поступает к ДМВ₁ 12 через фазовращатель 11 и к ДМВ₂ 13 непосредственно. На выходах ДМВ₁ 12 и ДМВ₂ 13 возникают равные по амплитуде и синфазные на каждом ярусе ЭДС, которые по фидерам 14 равной длины подводятся к зазорам, образованным примыкающими торцами отрезков металлических труб 5 и 6 каждого плеча симметричных вибраторов. Таким образом каждый симметричный вибратор можно представить в виде линейного излучателя, возбуждаемого двумя генераторами, вынесенными в зазоры, где установлены диэлектрические вставки 7 (фиг. 6, а). Причем центральный участок такого излучателя (между сечениями, где установлены эквивалентные генераторы) включает в себя экран 3 бункера 1 протяженностью l_б, что можно трактовать как увеличение размеров излучателя, без увеличения длины скважин. Из иллюстраций амплитуд тока, приведенных на фиг. 6, а, видно, что вдоль длины излучателя имеет место более равномерное распределение амплитуд тока в сравнении с огибающей амплитуд тока у излучателя прототипа фиг. 6, б. То есть действующая длина одного вибратора заявленной подземной антенны будет больше, чем у прототипа, что однозначно (при равной длине скважин сравниваемых антенн) указывает на увеличение его эффективности (КПД и КУ).

Кроме того, размещение вибраторов на двух ярусах так же практически в два раза увеличивает эффективность подземной антенны без увеличения площади размещения антенны.

Реализация этой возможности обеспечивается вертикальным разносом h и горизонтальным взаимным смещением d осей вибраторов ярусов. Причем указанные величины определены как с учетом минимизации взаимного влияния вибраторов друг на друга, так и минимизации конструкции ПА, при которых достигается наибольшее значение КУ.

Дополнительное увеличение эффективности антенны объясняется тем, что все вибраторы возбуждаются строго синфазно. Это достигается выбором всех отрезков фидеров 14 от выходов ДМВ₁ 12 и ДМВ₂ 13 до точек их подключения к трубам 5, 6 (точки "к" - "с" на фиг. 2, а) равной длины. Синфазное сложение полей, излучаемых вибраторами первого и второго ярусов, обеспечивается дополнительным фазовращателем, включенным в тракт питания вибраторов первого яруса. Заполнение диэлектриком промежутка между стенками скважин и поверхностью труб приведет к снижению потерь в полупроводящем грунте и, следовательно, повышению КПД (КУ) ПА.

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 вибраторов в каждом этаже принималось по четыре, параметры грунта _r= 4; = 10^-5 См/м, диапазон рабочих частот 2...6 МГц, т.е. _max = 150 м; _ср = 75м. При расчетах конструктивные размеры заявленной ПА принимались следующие: l = 15 м; l₁ = l₂ = 7,5 м; l₃ = 0,75 м; h = 3 м; d = 4,4 м; d = 2,2 м; 2r = 8 см; 2R = 16 см; = 2 см. L_max = 37,5 м; L = 1,2 м . Габариты бункера: D = 15 м; H = 3,5 м; B = 4 м. На фиг. 7 приведены результаты расчета относительного выигрыша по КУ (G,дБ) заявленной антенны в сравнении с прототипом, из которых следует, что в рабочем диапазоне выигрыш G составляет 4 - 6 дБ, что подтверждает возможность достижения технического результата без увеличения площади размещения антенны.