ПОДЗЕМНАЯ АНТЕННА Российский патент 2005 года по МПК H01Q1/04 

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

Известна ПА по патенту США, НКИ 343-719, №4687445, 1987, представляющая собой решетку из симметричных вибраторов, размещенных в полупроводящем грунте и подключенных к выходу передатчика.

Однако известная антенна обладает низкой эффективностью (малым коэффициентом усиления - КУ) в силу быстрого затухания амплитуд тока вдоль плеч вибраторов. По этой причине плечи вибраторов выполняют электрически короткими.

Известна также ПА по патенту США №3346864, НКИ 343-719, 1967 г., которая 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. Бункер также заглублен в полупроводящем грунте.

Однако известная ПА обладает низким КУ, что обусловлено большими потерями из-за несогласованности выхода передатчика с электрически короткими плечами вибраторов.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная ПА по патенту РФ №2115980, МПК Н 01 Q 1/00, 1998 г.

Подземная антенна-прототип состоит из двух ярусов разнесенных по высоте на расстояние Δh симметричных вибраторов. Плечи симметричных вибраторов в виде прямолинейных проводников 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. Плечи симметричных вибраторов первого и второго ярусов подключены к выходу передатчика соответственно через первый и второй делители мощности. В тракт питания симметричных вибраторов первого или второго яруса между выходом передатчика и входом соответствующего делителя мощности включен фазовращатель. Каждое плечо выполнено из двух отрезков металлических труб. В полость отрезка трубы, примыкающей к бункеру, установлен отрезок коаксиального фидера, экранная оболочка которого электрически соединена с внешним торцом первого отрезка металлической трубы, а центральный проводник - с примыкающим торцом второго отрезка металлической трубы этого же плеча.

Недостатками ближайшего аналога являются:

низкий уровень равномерности азимутальной диаграммы направленности (ДН) под малыми углами θ к горизонту (θ=20-30°);

относительно низкий КУ, что обусловлено неэффективным использованием разрешенной площади размещения плеч вибратора и низким уровнем их согласования с выходом передатчика.

Целью изобретения является разработка ПА, обеспечивающей формирование близкой к равномерной азимутальной ДН под любыми углами к горизонту и обладающей более высоким КУ за счет достижения лучшего качества согласования путем достижения равномерного распределения выходной мощности передатчика между плечами симметричных вибраторов.

Заявленное устройство расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ПА, включающей первый и второй разнесенные по высоте ярусы симметричных вибраторов, плечи которых в виде проводников установлены в скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте, в котором размещен бункер, окруженный металлическим экраном, плечи симметричных вибраторов первого и второго ярусов через отверстия в металлическом экране подключены к выходам делителей мощности соответственно первого и второго ярусов, причем в тракт питания симметричных вибраторов первого или второго ярусов между выходом возбудителя и входом соответствующего делителя мощности включен фазовращатель, плечи симметричных вибраторов первого яруса установлены параллельно друг другу по обе стороны бункера в скважинах, пробуренных через боковые стенки бункера в горизонтальной плоскости, а плечи симметричных вибраторов второго яруса установлены в двух плоскостях, расположенных под углами соответственно +α и -α относительно плоскости расположения плеч симметричных вибраторов первого яруса. Скважины, в которых установлены плечи симметричных вибраторов второго яруса, пробурены в своде бункера в противоположных направлениях относительно поперечной оси симметрии бункера. Проекции скважин второго яруса на горизонтальную плоскость и продольные оси скважин первого яруса ортогональны. Между выходом фазовращателя и входом делителя мощности дополнительно включен аттенюатор. Длины плеч симметричных вибраторов первого и второго ярусов выбраны в пределах

где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона волн, ε'_r=ε_r+j60σ λ_макс - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость грунта, ε_r, σ - относительная диэлектрическая проницаемость и удельная электропроводимость грунта. Проводники, образующие плечи симметричных вибраторов первого и второго ярусов, в каждом плече сгруппированы в N≥2 групп по К≥2 проводников в каждой группе. Каждый делитель мощности снабжен двумя группами выходов по N выходов в каждой группе. Проводники i-й группы в каждом плече вибраторов, где i=1, 2,..., N, подключены в параллель к i-му выходу соответствующего делителя мощности.

Расстояние между осями проводников, образующих i-ю группу в каждом плече симметричных вибраторов, выбрано в пределах (0,1-0,15)l.

Расстояние между примыкающими друг к другу проводниками i-й и (i+1)-ой групп вибраторов выбрано в пределах (0,2-0,25)l.

Благодаря новой совокупности существенных признаков обеспечивается выполнение условий для формирования вращающегося поля излучения: равноамплитудное возбуждение в фазовой квадратуре первого и второго ярусов симметричных вибраторов при их установке в пространственной квадратуре, чем достигается формирование практически изотропной азимутальной ДН при любом угле возвышения.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных признакам заявленной ПА, отсутствуют в известных источниках информации, 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".

Заявленная ПА поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - вид антенны в плане;

на фиг.2 - вид поперечного сечения антенны;

на фиг.3 - вид продольного сечения антенны;

на фиг.4 - структурная схема тракта возбуждения антенны;

на фиг.5 - рисунок, поясняющий работу ПА;

на фиг.6 - результаты измерений входных сопротивлений ПА;

на фиг.7 - результаты измерения качества согласования ПА;

на фиг.8 - результаты сравнительных расчетов азимутальных ДН заявленной ПА и ближайшего аналога.

Заявленная подземная антенна, показанная на фиг.1, состоит из первого и второго ярусов симметричных вибраторов (СВ). Плечи СВ выполнены в виде проводников 1 диаметром 2α и длиной l, каждый из которых установлен в скважине 2 диаметром 2R и также длиной l, пробуренной в полупроводящем грунте 3, имеющем макроскопические параметры: относительную диэлектрическую проницаемость ε_r и удельную электропроводимость σ [См/м]. На фиг.1 с целью упрощения рисунка скважины 2 не показаны. Скважины 2 для размещения в них проводников 1 первого яруса симметричных вибраторов пробурены в горизонтальной плоскости через боковые стенки бункера 4, также размещенного в полупроводящем грунте 3. Бункер 4 окружен металлическим экраном 5 с габаритами В×L×Н. Скважины 2 для размещения в них проводников 1 второго яруса СВ пробурены через свод бункера 4 в двух плоскостях, расположенных соответственно под углами +α и -α относительно плоскости расположения плеч СВ первого яруса, т.е. относительно горизонтальной плоскости (см. фиг.2). Проекции проводников 1 СВ второго яруса перпендикулярны проводникам 1 СВ первого яруса. Этим обеспечивается пространственная квадратура плеч СВ первого и второго ярусов. В каждом плече СВ проводники сгруппированы в N групп по К проводников в каждой группе. На фиг.1, в частности, показано, что в каждом плече СВ N=4- и K=5. В каждой группе проводники 1 разнесены на расстояние d_в друг от друга. А расстояние между примыкающими друг к другу проводниками, принадлежащими двум рядом расположенным группам проводников, составляет d_гр. Входы проводников 1 каждой группы объединены. Следовательно, каждое плечо СВ имеет N входов (на фиг.1 входы α₁, α₂, α₃, α₄; α₁', α_2'', α₃', α₄' и в₁, в₂ в₃, в₄; в₁', в₂', в₃', в₄'.

С учетом технологических условий размещения входы плеч СВ первого и второго ярусов разнесены по высоте на величину Δh=(0,4-0,6)Н. Входы плеч СВ первого и второго ярусов подключены к соответствующим двум группам выходов по N выходов в каждой группе делителей мощности первого 6 и второго 7 ярусов. На фиг. 4 показано, что каждая группа выходов делителей мощности первого 6 и второго 7 ярусов подключена к выходам усилителей мощности соответственно первого 8 и второго 9 ярусов. На модулирующий вход возбудителя подают сигнал внешней манипуляции (модуляции). Вход усилителя мощности первого яруса 8 подключен к выходу аттенюатора 10, вход которого подключен к выходу фазовращателя 11, вход которого подключен к первому выходу возбудителя 12. Второй выход возбудителя 12 подключен к входу усилителя мощности второго яруса 9. Делители мощности первого и второго ярусов 6 и 7 идентичны и предназначены для равноамплитудного разделения подводимой мощности между всеми (в рассматриваемом варианте, между восемью) входами пары плеч СВ соответствующего яруса. Делители мощности первого и второго ярусов 6 и 7 могут быть реализованы на отрезках фидера по бинарной схеме с включением трансформаторов на отрезках коаксиальных фидеров. Такие схемы известны, см., например, фиг.3 в описании ПА, выбранной за прототип (пат. РФ №2115980). 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.Гриндин, Б.А.Мишутин "Устройства СВЧ". - М.: 1981, с. 45.

Фазовращатель 11 предназначен для обеспечения квадратурного фазового возбуждения СВ первого и второго ярусов, т.е. обеспечения фазового сдвига на 90° между входами α₁-а₄ ; α'₁-а'₄ и входами в₁-в₄ ^., в'₁-в'₄. Фазовращатель 11 может быть выполнен на коммутируемых отрезках коаксиального кабеля. Схема такого фазовращателя известна и приведена на фиг.5 в описании патента РФ №2115980.

Аттенюатор 10 предназначен для достижения равенства мощностей на выходах усилителей мощности первого и второго ярусов 8 и 9. Аттенюаторы такого назначения представляют собой регулируемый резистор, рассчитанный на соответствующую мощность, например резисторы типа С2-10.

Проводники 1 в зависимости от значений макроскопических параметров ε_r, σ среды заложения антенны и максимальной длины рабочей волны λ_макс могут быть реализованы различным образом. При выполнении условия ε_r>60σλ_макс проводники 1 целесообразно выполнить неизолированными, например в виде оцинкованных труб диаметром 2α, а при выполнении условия ε_r>60σλ_макс - изолированными от среды, например, с помощью полиэтилена низкой плотности марки 153-09K. В качестве такого проводника может быть использован отрезок коаксиального кабеля. Возможны и другие варианты выполнения проводников 1, например с вынесенной точкой питания, как это реализовано в ПА, принятой в качестве ближайшего аналога (пат. РФ №2115980, фиг.2а описания). Длину проводников 1 и соответственно такую же длину скважин 2 выбирают с учетом укорочения максимальной длины волны λ_макс в среде из условия

Экспериментальные исследования показали, что ширина группы проводников Т_гр (см.фиг.1) должна составлять Т_гр=(0,3-0,4). Число К проводников в каждой из N групп проводников, расстояние d_в между ними, а также расстояние d_гр между примыкающими группами проводников также определены экспериментально исходя из условия достижения равномерного распределения амплитуд тока и его синфазности по проводникам каждой группы (т.е. максимизации коэффициента усиления антенны) и условия достижения приемлемой стоимости объекта.

В качестве усилителей мощности 8, 9 могут быть использованы известные выпускаемые промышленностью усилители, например, типа СУМ Р-631, 1571389-6 с выходной мощностью 5 кВт.

В качестве возбудителя могут быть использованы известные образцы, выпускаемые промышленностью, например, типа Р-170 В, "Лазурь" и т.п.

Заявленная подземная антенна работает следующим образом.

При включении возбудителя с его выхода мощность низкого уровня усиливают с помощью усилителей мощности 8 и 9 до требуемого уровня. Причем в одном из трактов (в рассматриваемом случае по входам α₁-α₄ за счет введения фазовращателя и аттенюатора их регулировкой на рабочей частоте обеспечивают на выходах (α₁-α₄) и (в₁-в₄) равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 90° возбуждающие ЭДС. Это с учетом ортогональной установки плеч первого и второго ярусов СВ реализуют обязательные условия формирования вращающегося поля излучения: фазовую и пространственную квадратуры и равноамплитудность возбуждения ортогональных ярусов СВ подземной антенны. Таким образом, заявленная антенна будет излучать поле вращающейся поляризации.

Такая структура излучаемого поля обусловливает формирование диаграммы направленности в вертикальной плоскости с максимумом, ориентированным в зенит. В азимутальной плоскости у такой антенны амплитудная диаграмма направленности по полному полю под углами возвышения θ, существенными для работы радиолинии ионосферными волнами, будет практически круговой.

На фиг.5а показана эквивалентная схема симметричного вибратора одного из ярусов, которая с учетом металлического экрана бункера представляет собой плоскостной симметричный вибратор, возбуждаемый в двух сечениях, в каждом из которых имеется N точек возбуждения (в рассматриваемом примере N=4). Благодаря тому, что проводники плеч объединены в N групп, в каждую из которых включено ограниченное число К проводников (на фиг.5а N=4, К=5), и каждая группа подключена к отдельному выходу соответствующего делителя мощности, практически не нарушается синфазность высокочастотных (в.ч.) токов, протекающих по всем проводникам плеча. Все точки подключения групп проводников одного плеча имеют одинаковую фазу возбуждающей ЭДС, а в пределах ширины отдельной группы проводников Т_гр, значительно меньшей длины волны, расфазировка токов несущественна. Следовательно, в максимальной мере используется разрешенная для размещения ПА площадь с одновременной максимизацией площади амплитуд суммарного в.ч. тока. Кроме того, с учетом включения в общую электрическую схему ПА металлического экрана бункера обеспечивается более равномерное распределение амплитуд в.ч. токов (фиг.5б). Отмеченное однозначно указывает на более высокую эффективность (КУ) заявленной ПА в сравнении с ближайшим аналогом.

Проверка возможности достижения сформулированного технического результата выполнена путем измерения внутренних и внешних параметров заявленной ПА на опытном образце, предназначенном для работы, начиная с λ_макс=75 м. Антенна была размещена в полупроводящем грунте с параметрами ε_r=6; σ=10^-4 См/м и имела следующие размеры конструктивных элементов: l=2,5 м; 2α=25 мм (оцинкованные металлические трубы); 2R=30 мм; a=25°; d_в=0,25 м; d_гр=0,5 м; Т_гр=1 м; L=В=5,5 м; Н=5 м, Δh=2,5 м.

В процессе экспериментальных исследований измерялись внутренние параметры ПА: входные сопротивления R, Х симметричных вибраторов первого и второго ярусов (фиг. 6) и коэффициента бегущей волны (фиг.7). На фиг.8 представлены азимутальные ДН, рассчитанные для различных углов возвышения θ как для заявленной ПА, так и для ближайшего аналога. Полученные результаты дают основания для следующих выводов: входные сопротивления (R, X) и качество согласования (КБВ) для первого и второго ярусов СВ практически одинаковы, что подтверждает возможность выполнения одного из условий получения вращающегося поля излучения - равноамплитудное возбуждение СВ первого и второго ярусов; коэффициент равномерности азимутальной ДН в интервале углов возвышения θ=20-30° у заявленной ПА составляет 0,8-0,95; у ближайшего аналога - 0,4-0,6, т.е. у заявленной ПА этот параметр выше в 1,6-2,0 раза.

Полученные результаты подтверждают возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной подземной антенны.

Изобретение может быть использовано в качестве передающей ненаправленной антенны. Техническим результатом является повышение уровня равномерности азимутальной диаграммы направленности под малыми углами возвышения и повышение коэффициента усиления антенны. Сущность изобретения заключается в том, что подземная антенна состоит из двух разнесенных по высоте ярусов симметричных вибраторов (СВ) и бункера, окруженного металлическим экраном, погруженных в полупроводящий грунт. Проводники плеч СВ первого и второго ярусов установлены в скважинах, пробуренных соответственно через боковые стенки бункера в горизонтальной плоскости и через свод бункера в двух наклонных плоскостях под углами +α и -α относительно горизонтальной плоскости. Проекции плеч СВ второго яруса на горизонтальную плоскость ортогональны плечам СВ первого яруса. Определены оптимальные размеры элементов конструкции антенны в зависимости от рабочей длины волны и параметров полупроводящего грунта. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Подземная антенна, включающая первый и второй разнесенные по высоте ярусы симметричных вибраторов, плечи которых в виде проводников установлены в скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте, в котором размещен бункер, окруженный металлическим экраном, плечи симметричных вибраторов первого и второго ярусов через отверстия в металлическом экране подключены к выходам делителей мощности соответственно первого и второго ярусов, причем в тракт питания одного из ярусов симметричных вибраторов между выходом возбудителя и входом соответствующего делителя мощности включен фазовращатель, а плечи вибраторов первого яруса установлены по обе стороны бункера в скважинах, пробуренных через боковые стенки бункера в одной горизонтальной плоскости, отличающаяся тем, что плечи симметричных вибраторов второго яруса установлены в двух плоскостях, расположенных под углами соответственно +α и -α относительно плоскости расположения плеч симметричных вибраторов первого яруса, в скважинах, пробуренных в своде бункера, причем продольные оси скважин первого яруса и проекции скважин второго яруса на горизонтальную плоскость ортогональны, а между выходом фазовращателя и входом делителя мощности дополнительно включен аттенюатор.2. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что проводники, образующие плечи симметричных вибраторов первого и второго ярусов, в каждом плече сгруппированы в N≥2 групп по К≥2 проводников в каждой группе, а каждый делитель мощности снабжен двумя группами выходов по N вибраторов, где i=l,2,..., N, включены в параллель к i-му выходу соответствующего делителя мощности.3. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что длины плеч симметричных вибраторов первого и второго ярусов выбраны в пределах , где λ_макс - максимальная длина волны рабочего диапазона волн, ε'_r=ε_r+j60σλ_макс - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость грунта, ε_r, σ - относительная диэлектрическая проницаемость и удельная электропроводимость грунта.4. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между осями проводников, образующих i-ю группу в каждом плече симметричных вибраторов, выбрано в пределах (0,1-0,15)l, а расстояние между примыкающими друг к другу проводниками, принадлежащими i-й и (i+1)-й группам, выбрано в пределах (0,2-0,25)l.