АНТЕННАЯ РЕШЕТКА ИОНОСФЕРНОГО НАГРЕВНОГО СТЕНДА Российский патент 2023 года по МПК H01Q21/06 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР), и может быть использовано в качестве антенной системы в нагревных стендах геофизических исследований ионосферы, расположенных в Арктических районах при вертикальном воздействии, а также перспективно для решения ряда прикладных задач.

Известны наземные ионосферные нагревные стенды вертикального воздействия HAARP (США, Аляска), EISCAT-heater (Норвегия, Тромсё), SPEAR (о. Шпицберген), которые расположены в приполярных областях (в области авроральной ионосферы). Совокупность основополагающих принципов построения этих стендов заложена патентами США: US-4686605, US-4712155, US-5038664, US-4817495. Стенды представляют собой капитальные сооружения, жестко привязанные к своим географическим координатам, они обеспечиваются развитой инфраструктурой и электроснабжением. АФАР этих стендов выполнены в виде горизонтальных эквидистантных решеток из проволочных вибраторных антенн различной модификации. Все они работают в диапазоне высоких частот. Направленные свойства таких решеток формируются при активном участии подстилающей поверхности. Излучаемая АФАР мощность определяется суммарной мощностью усилителей, подключенных к каждому элементу решетки. Пространственные зоны воздействия на ионосферу (возбуждения приземной плазмы) однозначно связаны с географическим положением стенда и возможностями управления его направленными свойствами в вертикальной плоскости до ±30°. По таким же принципам предлагается создавать современный нагревной стенд, разрабатываемый в рамках Национального гелиогеофизического комплекса Российской академии наук (Васильев Р.В. и др. Современный нагревный стенд для исследования ионосферы средних широт. Солнечно-земная физика. 2020. Т. 6. №2. С 61-78). Эти АФАР являются наиболее близкими техническими решениями к предлагаемой антенной решетке.

Недостатками описанных АФАР, существенно ограничивающими расширение возможностей их использования в нагревных стендах вертикального воздействия на ионосферу, расположенных в Арктических районах, являются:

- жесткая привязка стенда, а, следовательно, и пространственных зон взаимодействия излученной энергии с ионосферой, к географическим координатам;

- ограничение возможности наращивания энергетического потенциала стенда только повышением мощности усилителей, то есть остановкой и реконструкцией стенда;

- зависимость энергетических параметров АФАР от электрофизических параметров подстилающей поверхности (проводимости и диэлектрической проницаемости), что определяет необходимость устройства развитой системы заземления;

- сложная инфраструктура, техническое содержание, обслуживание и энергетическое обеспечение наземных нагревных стендов не позволяют размещать и перспективно использовать их в малонаселенных удаленных районах Арктики со сложной меняющейся климатической и ледовой обстановкой, таких, например, как Северный морской путь и прилегающие к нему районы, которые практически все находятся в области авроральной ионосферы.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании распределенной в пространстве, конформной, произвольно конфигурируемой под разные функциональные режимы АФАР нагревного стенда, у которой в качестве элементов будут выступать первичные автономные мобильные АФАР, работающие в диапазоне высоких частот.

Сущность изобретения заключается в определении принципов построения и конструктивных особенностей как АФАР ионосферного нагревного стенда, так и элементов, из которых она состоит. Элементами АФАР нагревного стенда являются первичные АФАР, которые для обеспечения мобильности, автономности, удобства транспортировки и формирования стенда размещаются в лихтерах в случаях морского базирования или контейнерах для суши и формируются из излучателей, направленные свойства которых не зависят от электрофизических параметров подстилающей поверхности при вертикальном воздействии на ионосферу. Первичные АФАР могут представляться в виде ряда типовых конструкций, отличающихся размерами антенных решеток и излучаемыми мощностями. Сама АФАР нагревного стенда конфигурируется по Арктическим территориям в зависимости от предъявляемых к ней требований.

Технический результат: выполнение первичных АФАР на базе автономных конструкций позволяет получить ряд новых отличительных технических результатов, как для отдельных элементов, так и для нагревных стендов в целом:

1. Использование в первичных АФАР излучателей с независимыми от параметров подстилающей поверхности свойствами при вертикальных воздействиях и размещение их в лихтерах или контейнерах позволяет избавиться от сложной системы заземления.

2. Размещение системы энергоснабжения, а также всех прочих функциональных элементов первичной АФАР в лихтере или контейнере обеспечивает ее полную универсальность, автономность, мобильность и удобство транспортировки на любые расстояния. Обеспечивается возможность резервирования и оперативной замены любой первичной АФАР в случае отказа в работе или модернизации.

3. Монтаж, регулировка, настройка и испытания первичных АФАР могут осуществляться в производственных условиях, что повышает надежность работы стенда и его элементов в реальных условиях.

4. Универсальность, автономность и мобильность первичных АФАР допускают формирование конформной по отношению к поверхности земли и рельефу АФАР стенда произвольной структуры, конфигурации и масштабов, что в значительной степени расширяет функциональные возможности стенда.

Конструкция антенны.

Первичная АФАР выполняется в виде универсальных, автономных, мобильных конструкций на базе лихтеров в случаях морского базирования или контейнеров для суши.

Лихтерная первичная АФАР. Площадь палубной поверхности для современных лихтеров может составлять от 200 до 1500 м², что вполне достаточно для формирования антенной решетки из апертурных излучателей, направленные свойства которых не зависят от электрофизических параметров подстилающей поверхности при вертикальном воздействии на ионосферу, например, модифицированных рупорных антенн. Количество элементов может достигать 100 и более. Водоизмещение лихтеров от 400 до 7000 тонн достаточно для размещения всей сопутствующей аппаратуры и техники: усилителей, системы с цепями управления амплитудно-фазовым распределением и режимами работы АФАР и диагностики их состоянии, приемо-передатчиков и антенн канала управления, а также системы автономного энергообеспечения. Мобильность лихтерных первичных АФАР обеспечивается лихтеровозами и буксировкой.

Контейнерная первичная АФАР. Компоновка контейнерных вариантов первичных АФАР и способы их транспортировки по суше могут быть самыми разнообразными.

Произвольно конфигурируемая АФАР нагревного стенда строится из универсальных, автономных, мобильных первичных АФАР в количестве, которое определяется целевым назначением стенда, и протяженностью задаваемого широтного размера и профиля электронной концентрации ионосферы. Все первичные элементы объединены единой системой управления на основе любых доступных каналов связи. Направленные свойства АФАР стенда формируются необходимыми амплитудными и фазовыми распределениями, как по всей антенне, так и по отдельным ее сегментам.

Изобретение поясняется рисунками, которые не охватывают и, тем более не ограничивают весь объем притязаний данного технического решения, а являются материалами, иллюстрирующими принципы построения и конструкцию антенны.

На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов исполнения излучающего элемента первичной АФАР в виде широкополосной модифицированной рупорной антенны.

На фиг. 2 и 3 приведены линейная из 4-х элементов, и апертура двумерной из 16-ти элементов решетки рупорных излучателей для первичных АФАР.

Фиг. 4 иллюстрирует фрагмент конфигурации и общий вид возможных режимов работы сегментов АФАР в Арктическом районе: 1 - ионосфера, 2 - обозначение первичной АФАР, 3 - воздействие на ионосферу единичной первичной АФАР, 4 - когерентное воздействие локальной линейной решеткой первичных АФАР, 5 - многочастотное воздействие локальной конформной поверхностной решеткой первичных АФАР, 6 - некогерентное воздействие локальной решеткой первичных АФАР.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Произвольной структуры, конфигурации и масштабов конформная по отношению к поверхности земли и рельефу АФАР стенда позволяет осуществлять вертикальное воздействие на ионосферу в географических масштабах по форме и протяженности, согласованное с широтным профилем электронной концентрации ионосферы. Такой стенд позволяет реализовать многочастотные режимы возбуждения приземной плазмы энергией, распределенной в спектре по заданному закону. Изменением амплитудно-фазовых распределений, как по всей антенне, так и по отдельным ее сегментам возможно создание и оптимизация определенных заданных управляемых пространственно энергетических картин возбуждения по различным участкам ионосферы. Оперативное без ограничений изменение и наращивание излучаемой суммарной мощности стенда осуществляется за счет модульности конструкции и использования типовых конструкций первичных АФАР.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к активным фазированным антенным решеткам (АФАР). Технический результат - возможность формирования АФАР ионосферного нагревного стенда произвольной конфигурации и протяженности. Результат достигается тем, что предложена горизонтальная антенная решетка ионосферного нагревного стенда вертикального воздействия на ионосферу, состоящая из активных излучающих элементов, отличающаяся тем, что решетка выполняется в размерах географических масштабов, произвольно конфигурируемая и конформная по отношению к поверхности земли и рельефу, состоящая из эквидистантных и неэквидистантных, линейных и поверхностных сегментов, элементы решетки выполняются в виде первичных автономных мобильных универсальных активных фазированных антенных решеток, состоящих из излучателей с независимыми от электрофизических параметров подстилающей поверхности свойствами, имеющими единую систему управления и конструктивно объединенных в лихтерах в случае морского базирования или контейнерах для суши. 4 ил.

Горизонтальная антенная решетка ионосферного нагревного стенда вертикального воздействия на ионосферу, состоящая из активных излучающих элементов, отличающаяся тем, что решетка выполняется в размерах географических масштабов, произвольно конфигурируемая и конформная по отношению к поверхности земли и рельефу, состоящая из эквидистантных и неэквидистантных, линейных и поверхностных сегментов, элементы решетки выполняются в виде первичных автономных мобильных универсальных активных фазированных антенных решеток, состоящих из излучателей с независимыми от электрофизических параметров подстилающей поверхности свойствами, имеющими единую систему управления и конструктивно объединенных в лихтерах в случае морского базирования или контейнерах для суши.