Передатчик георадара Российский патент 2023 года по МПК H04B1/02 H01Q9/04 

Изобретение относится к радиотехническим устройствам, используемым в геофизике, геологии и связи для подземного излучения радиосигналов, в системах связи, каротаже и исследовании подповерхностных слоев земли, связанных с формированием и зондированием электромагнитными импульсами.

В настоящее время для исследования подповерхностных слоев земли широко используются георадары, зондирующие искомую среду высоковольтными сверхкороткими электромагнитными видеоимпульсами. Из-за расположения передатчика и приемника на близком расстоянии друг от друга в основном применяются антенны с резистивно-нагруженными диполями, которые обеспечивают излучение дельтообразного видеоимпульса без последующих паразитных колебаний. Антенна с резистивно-нагруженными диполем представляет собой два вибратора, состоящих из токопроводящих сегментов и резисторов, включенных в разрывы между сегментами. Количество резисторов и сегментов может быть различным, обычно используется от 4 до 10 резисторов суммарным сопротивлением от 250 до 1000 Ом. Формирование высоковольтного видеоимпульса производится, как правило, с применением газового разрядника. Данное решение использовано в патенте «Способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности и устройство для его осуществления» (Патент RU 2244322 МПК G01V 3/12), где передатчик включает аккумулятор, таймер, преобразователь напряжения, формирователь зондирующих импульсов, разъемную от блока передающую антенну.

В качестве прототипа приняты два следующих технических решения. Наиболее подробно передатчик рассмотрен в «Устройстве для радиолокационного зондирования подстилающей поверхности» (Патент RU 2080622 МПК G01S 13/95). В нем передатчик, состоит из последовательно соединенных высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора, разрядника и передающей антенны. При включении высоковольтного источника питания заряжается накопительный конденсатор. По достижении напряжения на конденсаторе, соответствующего напряжению самопробоя разрядника, конденсатор подключается через разрядник к передающей антенне, формируя мощный зондирующий видеоимпульс фиксированной длительности. Рассмотрена также «Антенна подземного излучения» (Патент RU2753250 МПК H01Q 1/00) содержащая передатчик с дифференциальным выходом, помещенный в корпус, излучатель, выполненный в виде резистивно-нагруженного диполя и металлический экран При этом корпус передатчика и последние электропроводящие сегменты резистивно-нагруженного диполя электрически соединены с металлическим экраном, а резистивно-нагруженный диполь закреплен под металлическим экраном на расстоянии от 0,5 до 3 ширин резистивно-нагруженного диполя с возможностью перемещения в вертикальном направлении В прототипе формирование видеоимпульса и излучение видеоимпульса - две последовательные решаемые задачи. И конструктивно эти процессы осуществляются блоками, последовательно соединенными, т.е. времязадающий элемент (емкость накопительного конденсатора), формирующий видеоимпульс, отделен от процесса излучения, т.е. от передающей антенны.

Решаемая техническая задача - создание пригодного для использования в сложных условиях (помещение, стена шахты, промышленные объекты) такого устройства, у которого определяющими факторами являются достаточная мощность излучаемого сигнала с настраиваемой диаграммой направленности для решения конкретной задачи при минимальных размерах

Для достижения поставленной цели предлагается процессы формирования зондирующих импульсов и их излучение объединить, для чего времязадающие элементы формирователя зондирующих импульсов передатчика перенести и объединить их с элементами вибраторов антенны. Для этого разрядник из передатчика перенесен в блок передающей антенны, расположен в центре антенны и через накопительные конденсаторы подключен к последовательно соединенному с ними резисторами резистивно-нагруженного диполя предающей антенны.

В разработанном передатчике изменена схема разрядной цепи. Высоковольтный источник питания выполнен по схеме с двухполярным выходом, со средней точкой. Генератор импульсов через повышающий высоковольтный трансформатор соединен с выпрямителем, собранным по схеме удвоения напряжения (схема Латура) [Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник // Под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь. 1986. - 567 с. Стр,123-127]. При применении данного решения происходит удвоение используемых компонентов относительно однополупериодного выпрямителя, но они с более низким рабочим напряжением и значительно дешевле. Учитывая последовательное включение в предлагаемой схеме накопительных конденсаторов, суммарная величина емкости уменьшается вдвое.

Выход выпрямителя через защитные резисторы подключен к разъему антенны, контакты разъема с разнополярными напряжениями подключены к разряднику и через накопительные конденсаторы подсоединены к резистивно-нагруженому диполю передающей антенны. В схеме средняя точка высоковольтного источника питания через контакт разъема соединена с металлическим экраном передающей антенны. Использование данной схемы выпрямителя позволило преобразовать схему передатчика с несимметричным выходом в схему с дифференциальным выходом (симметричным выходом), что дает возможность использовать сопротивление резисторов передающей антенны в процессе формировании видеоимпульса.

Для пояснения предлагаемого решения представлен следующий графический материал. На Фиг. приведен общий вид передатчика георадара, где: высоковольтный источник питания состоит из Gen - генератора импульсов, Т - повышающего трансформатора, D-, D+ - диодов выпрямителя, RG-, RG+ - защитных резисторов, X - разъем, а также FV - разрядник, С-, С+ -накопительные конденсаторы, Ra - резисторы передающей антенны, 1 - экран передающей антенны, 2 - электропроводящие сегменты диполя резистивно-нагруженного диполя, 3 - проводник соединения последних сегментов резистивно-нагруженного диполя с металлическим экраном передающей антенны. Там же на Фиг. приведены эпюры напряжений на различных элементах схемы.

Рассмотрим динамику работы предполагаемого передатчика георадара на конкретном примере. Удвоенное напряжение через защитные резисторы RG и разъем X поступает на разрядник FV и начинает заряжать накопительные конденсаторы С-, С+. Вторые выводы конденсаторов С-, С+ через резисторы диполя RA-, RA+ соединены с экраном 1 и вторым выводом трансформатора Т. При достижении напряжения пробоя разрядника FV замыкается цепь FV, C-, RA-, RA+, C+, на резисторах антенны RA-, RA+ происходит образование разнополярных высоковольтных импульсов, при протекании токов по резистивно-нагруженному диполю антенны осуществляется электромагнитное излучение. Таким образом объединен процесс формирования и излучения передатчика георадара. Одновременно часть энергии теряется на резисторах и к концам диполя снижается до нуля, что показано на эпюрах Фиг. Величины времязадающих элементов рассчитываются с учетом длины используемой антенны. Пусть заданная длина антенны 1 м, но обычно для расчетов используется половина или четверть длины волны, в данном случае используя длину антенны 1 м, для расчетов используем длины волны 2 м. Через соотношение длины волны к скорости света для расчетов получаем длительность видеоимпульса 6,6 нс. При емкости конденсатора 50 пФ для получения длительности формируемого видеоимпульса г необходимое сопротивление резисторов диполя антенны составляет:

R=τ/С=6,6 нс/50 пФ=132 Ом, где:

τ - длительность импульса, с

С - емкость конденсатора, Ф

R - сопротивление резистор, Ом

При расчетах в качестве величины С, учитывая последовательное включение конденсаторов используется два конденсатора по 100 пФ.

τ=(C/2)*R=(100 пФ/2)*132 Ом=6,6 нс

Закон изменения сопротивления резисторов диполя антенны может быть различным, линейным, линейно увеличивающимся, увеличивающимся по экспоненте, при этом величина R используемая для расчетов есть сумма всех резисторов RA-, RA+ резистивно-нагруженного диполя антенны, причем их суммарное сопротивление равно значению:

R=2RA=2(Ra+2*Ra+4*Ra+8*Ra)=2(4,4+8,8+17,6+35,2)=132 Ом

где:

RA - сумма всех резисторов цепи, Ом

Ra - резистор, Ом

Объединение элементов формирования видеоимпульса и резисторов антенны также позволяет снизить внутренние потери передатчика. Напряжение от высоковольтного источника питания амплитудой 5 кВ, накопленное в конденсаторах прикладывается через разрядник к резисторам диполя антенны, через них по закону Ома протекает импульсный ток около 37 А, что означает выходную мощность передатчика георадара порядка 190 кВт. В прототипе выходной ток от передатчика поступает в антенну через разъемы соответствующего сечения, около 50 мм², поэтому при переносе времязадающих элементов снижаются требования к разъему X, т.к. зарядные токи конденсаторов от высоковольтного блока питания составляют порядка 5 мА. это позволяет полностью снизить потери в проводниках схемы формирователя и в разъеме. В примере не показаны расчеты по изменению элементов диполей в зависимости от волнового сопротивления диполей антенны. Изменением расстояния между диполем передающей антенны и металлическим экраном достигается необходимая диаграмма направленности передатчика георадара. В частности, для каротажа устанавливается максимум главного лепестка, для подповерхностного зондирования наоборот - амплитуду боковою лепестка устанавливают значительно выше главного лепестка диаграммы направленности.

Таким образом реализована поставленная задача, процесс формирования и излучения видеоимпульса объединен, что позволило обеспечить передатчику георадара достаточную излучаемую мощность, при этом снижены внутренние энергетические потери за счет ликвидации потерь в разъемах. Передатчик георадара имеет возможность устанавливать необходимую диаграмму направленности антенны при минимальных размерах конструкции.

Предлагаемое техническое решение было реализовано в виде изготовленных макетных образцов различной длины. Использовалась доступная элементная база средней ценовой категории. Один из макетов разработанной антенны для подповерхностного зондирования имеет геометрические размеры: длина - 1 м, высота - 60 мм, ширина - 90 мм. Параметры видеоимпульса: амплитуда 5кВ, длительностью 7,5 нс, полоса излучаемого сигнала от 10 МГц до 250 МГц.

Передатчик георадара предназначен для использования в геофизике, геологии и связи для подземного излучения радиосигналов в системах связи, каротаже и исследовании подповерхностных слоев земли. Техническим результатом изобретения является уменьшение размеров передатчика с сохранением достаточной мощности его излучаемого сигнала с настраиваемой диаграммой направленности. Технический результат достигается за счет объединения формирования видеоимпульса и излучения электромагнитной волны, которое обеспечивается размещением накопительных конденсаторов и разрядника на резистивно-нагруженном диполе передающей антенны, а также выполнением источника питания с двухполярным выходом, средняя точка которого электрически соединена с металлическим экраном, при этом выход генератора импульсов через повышающий высоковольтный трансформатор соединен с выпрямителем, выходы которого через защитные резисторы и контакты разъема соединены с входом разрядника, подключенного через накопительные конденсаторы к резисторам резистивно-нагруженного диполя передающей антенны. При этом параметры элементов, участвующих в формировании видеоимпульса, рассчитываются исходя из длины антенны. 1 ил.

Передатчик георадара, состоящий из электрически соединенных высоковольтного источника питания, накопительного конденсатора, разрядника и помещенной в металлический экран передающей антенны, выполненной в виде резистивно-нагруженного диполя, последние сегменты которого электрически соединены с металлическим экраном, а сам резистивно-нагруженный диполь закреплен под металлическим экраном с возможностью перемещения его в вертикальном направлении, отличающийся тем, что накопительные конденсаторы и разрядник размещены на резистивно-нагруженном диполе передающей антенны, высоковольтный источник питания выполнен по схеме с двухполярным выходом, средняя точка которого электрически соединена с металлическим экраном, при этом выход генератора импульсов через повышающий высоковольтный трансформатор соединен с выпрямителем, выходы которого через защитные резисторы и контакты разъема соединены с входом разрядника, подключенного через накопительные конденсаторы к последовательно соединенным с ними резисторам резистивно-нагруженного диполя передающей антенны.