ПЕРЕДАЮЩАЯ ТУННЕЛЬНАЯ АНТЕННА
TRANSMITTING TUNNEL ANTENNA

r
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, заявляемая передающая туннельная антенна (ПТА) относится к классу подземных антенн (ПА) и может быть использована в качестве передающей низкочастотной (НЧ) антенны, устанавливаемой в туннеле, пробуренном в полупроводящем грунте, характеризуемом макроскопическими параметрами: ε - относительной диэлектрической проницаемостью и σ - удельной электропроводимостью.
Известна подземная антенна (ПА) по патенту США №3346864, которая состоит из совокупности параллельных друг другу симметричных вибраторов (СВ), плечи каждого из которых установлены в горизонтальных туннелях, пробуренных в полупроводящем грунте (ППГ). СВ подключены к выходу радиопередатчика (РПРД), размещенного в бункере, также заглубленном в ППГ.
Недостатком известной ПА является ее низкий коэффициент усиления (КУ), что обусловлено высокой концентрацией связного реактивного поля СВ, приводящего к значительным тепловым потерям в ППГ.
Известна также ПА по патенту РФ №2115980, 1998 г., состоящая из двух ярусов, разнесенных по высоте СВ, плечи которых установлены в горизонтальных туннелях, пробуренных в ППГ и подключенных к выходу РПРД, размещенном в бункере, также заглубленном в ППГ. Бункер окружен металлическим экраном.
Недостатком данной ПА является относительно малый КУ, что обусловлено высокой концентрацией нескомпенсированного реактивного поля СВ, приводящей к тепловым потерям в окружающем СВ ППГ.
r
Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленной ПТА является подземная антенна по патенту РФ №2262164, опубл. 10.10.205, МПК H0Q 1/04. ПА - прототип состоит из двух ярусов СВ, плечи которых в виде совокупности проводников установлены в туннелях, пробуренных в полупроводящем грунте с макроскопическими параметрами ε и σ.
Плечи СВ подключены к выходам делителей мощности, которые в свою очередь подключены к выходу РПРД, размещенного в бункере, окруженном металлическим экраном. Плечи СВ первого и второго ярусов ортогональны, что обеспечивает формирование близкой к равномерной диаграммы направленности (ДН) в азимутальной плоскости.
Недостатками прототипа являются:
высокая вероятность повреждения конструкции из-за возможного обрушения сводов туннеля при воздействии на него дестабилизирующих факторов (вибрационных или ударных нагрузок);
относительно низкая эффективность (коэффициент усиления), обусловленная высокой концентрацией связанного реактивного поля СВ, приводящего к значительным тепловым потерям в ППГ.
Целью изобретения является разработка ПТА, обеспечивающей достижение более высокого КУ за счет снижения концентрации связного реактивного поля, при одновременном повышении устойчивости конструкции антенны при воздействии на нее дестабилизирующих факторов, например ударных и вибрационных нагрузок.
т
r
с
ст
в
т
в
Указанный технический результат достигается тем, что в известной передающей туннельной антенне, содержащей симметричный вибратор (СВ), плечи которого длиной L размещены в полости туннеля с диаметром поперечного сечения D, пробуренного в полупроводящем грунте с относительной диэлектрической проницаемостью ε и удельной электропроводимостью σ, примыкающие друг к другу концы плеч СВ подключены к выходу РПРД, установленного в бункере, окруженном металлическим экраном и размещенным в ППГ, по образующей поверхности туннеля с интервалом l равномерно в ППГ погружены по N стержней анкерной крепи. Стержни длиной l ориентированы в направлении от центра поперечного сечения туннеля вглубь ППГ. Каждое плечо СВ выполнено в виде совокупности из K проводников, расположенных равномерно по образующей цилиндрической поверхности с диаметром поперечного сечения D, меньшим D. Цилиндрическая поверхности с диаметром поперечного сечения D осесимметрична с внутренней поверхностью туннеля. Проводники плеч СВ скреплены механически с поверхностью туннеля и подключены кондуктивно к стержням анкерной крепи.
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msqrt><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>r</mi></msub><mo>'</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ε</mi><mi>r</mi><mo>'</mo></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>ε</mi><mi>r</mi></msub><mo>+</mo><mi>j</mi><mn>60</mn><mi>σ</mi><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow>
max
Длина L каждого плеча СВ выбрана из условия L≥0,1
, где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона ПТА;
- относительная комплексная диэлектрическая проницаемость грунта.
ст
ст
т
Длина l стержней анкерной крепи выбрана в пределах l=(0,5-1,0)D, а число N стержней анкерной крепи в каждом сечении выбрана в пределах N=8-12. Число К проводников 1, образующих каждое плечо СВ выбирают в пределах К=4-8.
c
c
m
Интервалы l между сечениями туннеля, в которых установлены металлические стержни, выбраны в пределах l=(1,0-1,5)D.
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков в ПТА обеспечивается подкрепление свода туннеля и снижение вероятности его обвала из-за возможного возникновения трещиноватости при воздействии ударных или вибрационных нагрузок. Одновременно использование стержней увеличивает эквивалентный диаметр плеч СВ и, следовательно, снижает его волновое сопротивление, что приводит к снижению концентрации связного реактивного поля и уменьшению тепловых потерь в полупроводящем грунте. Отмеченное указывает на увеличение эффективности (КУ) ПТА, т.е. возможности достижения технического результата при использовании заявленной антенны.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - общий вид ПТА (продольное сечение);
на фиг. 2 - вид ПТА (поперечное сечение);
на фиг. 3 - рисунок, поясняющий протекание высокочастотных токов по элементам ПТА;
на фиг. 4 - рисунок, поясняющий работу ПТА;
на фиг. 5 - результаты сравнительных измерений коэффициента усиления антенны.
в
Заявленная ПТА, показанная на фиг. 1, состоит из симметричного вибратора, плечи которого длиной L выполнены из K проводников 1, расположенных равномерно по образующей цилиндрической поверхности 2 с диаметром поперечного сечения D. Цилиндрическая поверхность 2, образованная проводниками 1, расположена осесимметрично с внутренней поверхностью туннеля 3. Примыкающие друг к другу концы проводников 1 плеч СВ подключены к выходу РПРД 4, установленного в бункере 5 и окруженного металлическим экраном 6. Подключение плеч СВ к РПРД 4 может быть выполнено различным образом:
подключением плеч СВ к симметричному выходу РПРД 4 (фиг. 1а);
по схеме с использованием двух однотипных РПРД, каждый из которых включен между центральным заземлителем 10, роль которого выполняет металлический экран 6 бункера 5, и соответствующим плечом СВ (см. фиг. 1б).
с
ст
ст
В сечениях туннеля 3 с интервалом l по образующей поверхности туннеля 3 в ППГ 7 погружены равномерно по N металлических стержней 8 длиной l и диаметром d анкерной крепи. Стержни 8 ориентированы от центра поперечного сечения туннеля 3 (точка «о») вглубь ППГ 7 (см. также фиг. 2). На фиг. 2 показаны восемь стержней 8, устанавливаемых в каждом из сечений. Проводники 1 плеч СВ скреплены с поверхностью туннеля 3 с помощью подвесок 9, например, в виде проводников, обеспечивающих гальваническую связь проводников 1 плеч СВ с металлическими стержнями 8.
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>/</mo><msqrt><mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>r</mi></msub><mo>'</mo></mrow><mo>|</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow>
ст
ст
ст
т
ст
ст
Длина L каждого из плеч СВ выбрана из условия L≥0,1
, при этом обеспечивается минимально допустимое снижение эффективности (КУ) ПТА. Длина l и диаметр d стержней 8 анкерной крепи выбирают из условий l=(0,5-1,0)D, d=(0,005÷0,02) l. При указанных размерах стержней 8 компромиссно учитываются требования по экономическим затратам на построение ПТА и обеспечению требуемого уровня надежности сохранения целостности туннеля при дестабилизирующих воздействиях.
т
в
т
в
т
Диаметр D туннеля и его протяженность 2L выбирают с учетом частотного диапазона ПТА, требуемой ее эффективности и с учетом особенностей выполнения горнопроходческих работ. Соотношение диаметров D/D выбирают с учетом как конструктивных соображений, так и требований по наиболее полному использованию внутреннего пространства туннеля, что необходимо для достижения максимально возможной эффективности ПТА. С учетом этих требований выбирают D/D=(0,8-0,95).
с
с
т
Интервалы l между сечениями туннеля 3, где в ППГ 7 погружены металлические стержни 8, выбраны в пределах l=(1,0-1,5)D.
В качестве РПРД можно использовать любой известный и выпускаемый промышленностью радиопередатчик, работающий в низкочастотном диапазоне, например радиопередатчик типа Р-643 или типа 15Э 1780.
Проводники 1 плеч СВ могут быть выполнены различным образом, например, из кабеля типа РК75-44-19Б со снятой наружной изоляцией. Для снижения шунтирующего действия торцевой емкости в местах подключения к выходу РПРД 4 проводников 1, образующих плечи СВ, их соединяют электрически между собой в виде конуса (см. фиг. 1).
пр
вэ
см
пр
1
1
Заявленная ПТА работает следующим образом. При включении РПРД 4 высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I протекает по плечам СВ, которые можно предоставить в виде линейного проводника, образованного проводниками 1, с эквивалентным диаметром D (см. фиг. 3). Кроме того, ток проводимости первого плеча вытекает на каждый из стержней 8, электрически соединенных с проводниками 1 плеч СВ. Далее через токи смещения I в.ч. ток замыкается в виде тока проводимости I по второму плечу. Такую модель можно представить в виде распределенного контура, включающего элементы погонной индуктивности L и погонной емкости С (см. фиг. 4).
<mrow><mi>ρ</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msqrt></mrow>
1
1
Наличие стержней 8 увеличивает распределенную емкость эквивалентного вибратора, что приводит к снижению волнового сопротивления ρ эквивалентного вибратора (см. книгу Антенны, ч. 1, под ред. Ю.К. Журавцева. - Л.: ВКАС, с. 21), т.е
, где L - значение индуктивности на единицу длины антенны, С - усредненное по длине антенны значение емкости на единицу длины эквивалентного вибратора. Снижение ρ указывает на уменьшение концентрации связанного с антенной реактивного поля и, следовательно, снижение потерь в полупроводящем грунте, окружающем ПТА.
Проверка возможности достижения заявленного технического результата при использовании ПТА была выполнена в ходе сравнительных экспериментальных измерений эффективности заявленной антенны и прототипа.
Условия проведения измерений следующие:
max
т
вэ
ст
ст
с
r
4
-5
наибольшая длина волны рабочего диапазона волн λ=3·10 м; L=700 м; D=6 м; D=5 м; l=4,5 м; d=4,5 см; l=7 м; N=8; K=8; грунт: ε=10; σ=5·10 См/м.
В процессе эксперимента измерялись уровни излученного поля в дальней зоне заявленной антенны и прототипа с последующей оценкой величины КУ в соответствии с известной методикой, описанной в книге: Фрадин А.З., Рыжков Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. Изд. 2-е, дополненное, - М.; «Связь», 1972, с. 262-271.
Полученные результаты, представленные на фиг. 5, дают основания для следующих выводов. В диапазоне L/λ=0,03-0,3 коэффициент усиления заявленной антенны в сравнении с прототипом выше от 2 до 3,5 дБ. Одновременно введение в конструкцию ПТА стержней анкерной крепи делает заявленную антенну более устойчивой к ударным и вибрационным нагрузкам. Отмеченное указывает на возможность достижения сформулированного технического результата при использовании заявленной передающей туннельной антенны.