СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ РАЗРАБОТКЕ АНТЕНН Российский патент 2015 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к способам моделирования работы антенн и может быть использовано при разработке подземных антенн.

На характеристики антенн, применяемых в KB диапазоне, существенное влияние оказывают параметры почвы, на которой установлена излучающая система, такие как диэлектрическая проницаемость ε и удельная проводимость σ.

Известны способы измерения диэлектрической проницаемости различных сред. Так известен способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) [1] жидких и сыпучих тел в широком диапазоне частот в одной ячейке, заполненной исследуемым веществом, используемой в диапазоне частот 100-4000 МГц как отрезок коаксиальной линии, а в диапазоне частот 1 кГц-1 МГц как цилиндрический конденсатор, при этом в диапазоне частот 100-4000 МГц комплексная диэлектрическая проницаемость вычисляется через измеренные значения комплексного коэффициента передачи электромагнитной волны, а в диапазоне частот 100 Гц-1 МГц - через измерение полной проводимости. Новым является то, что предварительно перед измерением КДП пустую ячейку помещают в дополнительный отрезок коаксиальной линии, при этом ячейку включают как цилиндрический конденсатор в разрыв внутреннего проводника дополнительного отрезка коаксиальной линии, закороченной на выходе, и производят его калибровку, для чего определяют параметры эквивалентной электрической схемы дополнительного отрезка коаксиальной линии с расположенной в ней пустой ячейкой, затем заполняют ячейку исследуемым веществом и в диапазоне частот 1 МГц-100 МГц определяют КДП по формулам, связывающим S₁₁ с параметрами эквивалентной схемы. Данный способ измерения КДП обеспечивает ее измерение в одной ячейке с низкой погрешностью во всем частотном диапазоне (1 кГц-6000 МГц).

Также известен способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих тел [2] в широком диапазоне частот в одной ячейке, используемой в диапазоне частот выше 100 МГц как отрезок коаксиальной линии, а в диапазоне ниже 1 МГц как цилиндрический конденсатор, при этом в диапазоне частот выше 100 МГц диэлектрическая проницаемость вычисляется через измеренные значения комплексного коэффициента передачи электромагнитной волны (параметра матрицы рассеяния S₁₂), а в диапазоне частот ниже 1 МГц - через измерение полной проводимости. Новым является то, что для измерений в диапазоне частот 0,3-100 МГц используется дополнительный отрезок коаксиальной линии волновым сопротивлением 50 Ом сечения, большего, чем у ячейки, внутренний диаметр внешнего проводника. При этом ячейку включают как цилиндрический конденсатор в разрыв внутреннего проводника дополнительного отрезка коаксиальной линии, имеющего два СВЧ разъема, к центральным проводникам которых подключены с одной стороны центральный проводник ячейки, а с другой стороны - корпус ячейки через согласующий переходник в виде отрезка конической линии волновым сопротивлением 50 Ом, и производят его калибровку, для чего определяют параметры эквивалентной схемы дополнительного отрезка коаксиальной линии с расположенной в ней пустой ячейкой, затем заполняют ячейку исследуемым веществом и в диапазоне частот 0,3-100 МГц измеряют комплексный коэффициент передачи (параметр матрицы рассеяния S12) и по формулам, связывающим КДП с параметром S₁₂, определяют КДП.

Недостатками известных способов-аналогов являются узкая область использования.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ моделирования при разработке новых типов антенн [3], заключающийся в уменьшении размеров антенны в M раз, увеличении магнитной проницаемости в М² раз.

Недостатком способа-прототипа является невысокая точность получаемых результатов из-за отсутствия учета параметров почвы.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности моделирования при разработке антенн.

Поставленная задача достигается тем, что в способе моделирования при разработке антенн, включающем подготовку площадки с подстилающей поверхностью, операции уменьшения антенны в M раз, где М - коэффициент моделирования, увеличения частоты в M раз, согласно изобретению выбирают параметры подстилающей поверхности, влияющие на электрические и направленные свойства антенн, диэлектрическую проницаемость ε и удельную проводимость σ, проводят измерения диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ различных подстилающих поверхностей, в вычислителе создают базы данных диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, задают нужные значения рабочей частоты антенны, с помощью вычислителя выбирают параметры диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, необходимые для получения нужного значения рабочей частоты антенны и напряженности ее поля.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В начале работы способа моделирования осуществляем выбор площадки. Известно [3], что возможно моделирование антенных систем на основе принципа электродинамического подобия. В основе этого метода лежит принцип электродинамического подобия, который для случая размещения антенны в воздухе над идеально проводящей плоскостью имеет следующую формулировку [3]: «Если одновременно и в равной степени уменьшить линейные размеры антенны и рабочую длину волны, то основные электрические характеристики антенны - входное сопротивление и характеристики направленности - останутся неизменными».

Суть использования описанного метода моделирования заключается в возможности снизить затраты на изготовление экспериментальных образцов, уменьшая линейные размеры антенн в случае очень больших линейных размеров (ДВ, СВ, KB диапазон - десятки, сотни метров) или увеличении в K раз в случае маленьких размеров (СВЧ диапазон - сантиметры, миллиметры). При этом моделирование предполагает уменьшение размеров антенны в M раз, где М - коэффициент моделирования, увеличение частоты в M раз. Такое моделирование наземных и подземных антенн для получения адекватных данных предполагает формирование подстилающей поверхности - реальной почвы с необходимыми параметрами. Это становится возможным при получении диэлько-влажностной зависимости реальной почвы и формирования для моделирования подстилающей поверхности с искомыми параметрами. Для моделирования подстилающей поверхности выбирают параметры подстилающей поверхности, влияющие на электрические и направленные свойства антенн: диэлектрическую проницаемость ε и удельную проводимость σ. Далее проводят измерения диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ различных подстилающих поверхностей. Одним из вариантов измерения диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ является метод измерения с помощью регистрирующего устройства и зонда. Принцип работы зонда основан на определении характеристик колебательного контура, т.е. резонансной частоты f₀ и ширины рабочей полосы частот Δf [4]. С помощью регистрирующего устройства фиксируют параметры диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ среды, в которой проводят измерения. При этом измерения проводятся в различных точках антенных площадок.

Из собранных параметров в вычислителе создают базы данных диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ. Далее проводят подбор параметров диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, необходимых для получения нужного значения рабочей частоты антенны и напряженности ее поля.

Источники информации

1. Патент №2478830, G01R 27/26, опубл. 10.02.2013 г.

2. Патент №2509315, G01R 27/26, опубл. 11.05.2012 г.

3. Г.А. Лавров, А.С.Князев. Приземные и подземные антенны. М., Советское радио, 1965 г., с.442-447.

4. Черняк Г.Я., Мясковский О.М. Радиоволновые методы исследований в гидрогеологии и инженерной геологии. - М.: Недра, 1973 г. - 176 с.

Использование: для разработки подземных антенн. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют подготовку площадки с подстилающей поверхностью, операции уменьшения антенны в M раз, где M - коэффициент моделирования, увеличения частоты в M раз, при этом выбирают параметры подстилающей поверхности, влияющие на электрические и направленные свойства антенн, диэлектрическую проницаемость ε и удельную проводимость σ, проводят измерения диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ различных подстилающих поверхностей, в вычислителе создают базы данных диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, задают нужные значения рабочей частоты антенны, с помощью вычислителя выбирают параметры диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, необходимые для получения нужного значения рабочей частоты антенны и напряженности ее поля. Технический результат: расширение функциональных возможностей и повышение точности моделирования при разработке антенн.

Способ моделирования типа подстилающей поверхности при моделировании антенн, включающий подготовку площадки с подстилающей поверхностью, операции уменьшения антенны в M раз, где M - коэффициент моделирования, увеличения частоты в M раз, отличающийся тем, что выбирают параметры подстилающей поверхности, влияющие на электрические и направленные свойства антенн, диэлектрическую проницаемость ε и удельную проводимость σ, проводят измерения диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ различных подстилающих поверхностей, в вычислителе создают базы данных диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, задают нужные значения рабочей частоты антенны, с помощью вычислителя выбирают параметры диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ, необходимые для получения нужного значения рабочей частоты антенны и напряженности ее поля.