Антенно-фидерное устройство СВ, ДВ диапазонов
ANTENNA-FEEDER DEVICE MW, LW RANGES

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и, в частности, заявляемое антенно-фидерное устройство (АФУ) может быть использовано в качестве передающей ненаправленной антенны СВ, ДВ диапазона волн постоянной готовности при необходимости ее размещения в полупроводящем грунте на стационарных объектах.
1
2
3
Известна подземная антенна, включающая группу параллельных друг другу симметричных вибраторов, плечи каждого из которых установлены в горизонтальных скважинах, пробуренных в полупроводящем грунте и подключенных к выходу передатчика, размещенного в бункере, заглубленном в полупроводящем грунте, отличающаяся тем, что бункер окружен металлическим экраном, скважины пробурены симметрично по обе стороны бункера на двух ярусах, которые разнесены по вертикали на расстоянии Δh, причем оси скважин каждого уровня смещены друг относительно друга в горизонтальной плоскости на расстояние Δd, при этом плоскости размещены скважин первого и второго ярусов параллельны, каждое плечо общей длиной l симметричных вибраторов выполнено в виде двух соосно установленных в соответствующую скважину и изолированных от ее стенок отрезков металлических труб с длинами l и l, скрепленных между собой диэлектрической вставкой, причем часть длиной l отрезка металлической трубы, примыкающего к бункеру, через отверстие в нем и металлическом экране установлена во внутреннем объеме бункера и механически и кондуктивно скреплена с экраном, выход передатчика подключен к входу делителя мощности между вибраторами первого и второго ярусов, первый выход которого через фазовращатель подключен к входу делителя мощности между вибраторами первого яруса, а второй - непосредственно к входу делителя мощности между вибраторами второго яруса, делители мощности между вибраторами каждого из ярусов снабжены выходами по числу плеч симметричных вибраторов в данном ярусе, к которым подключены дополнительные отрезки фидера, каждый дополнительный отрезок фидера установлен в полости примыкающего к бункеру отрезка трубы соответствующего плеча симметричного вибратора и подключен экранной оболочкой к внешнему торцу этого отрезка трубы, а центральным проводником - к примыкающему к диэлектрической вставке торцу периферийного отрезка трубы этого же плеча (патент РФ №2115980, опубл. 20.07.1998 г.).
Недостатком данной антенны являются ее низкие эксплуатационные характеристики, обусловленные недостаточным коэффициентом усиления (КУ) и уровнем равномерности диаграммы направленности (ДН) под малыми углами к горизонту.
Прототипом изобретения является 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, при этом 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 (патент №2262164, опубл. 10.10.2005 г., Бюл. №28).
Недостатком прототипа являются ее низкие эксплуатационные характеристики, обусловленные недостаточным коэффициентом усиления (КУ) и его неравномерностью, в виду больших потерь из-за несогласованности выхода передатчика с электрически короткими плечами вибраторов, а также уровнем равномерности диаграммы направленности (ДН) под малыми углами к горизонту.
Задачей изобретения является усовершенствование подземной антенны, позволяющее улучшить ее эксплуатационные характеристики, а также расширить арсенал средств подобного назначения.
Техническим результатом изобретения является повышение равномерности диаграммы направленности и повышение коэффициента усиления, а также обеспечение возможности диагностирования состояния устройства.
Технический результат достигается тем, что антенно-фидерное устройство СВ, ДВ диапазонов постоянной готовности содержит первый и второй разнесенные по высоте ярусы симметричных вибраторов, плечи которых в виде проводников сгруппированы и установлены параллельно друг другу в одной геометрической плоскости по обе стороны окруженного металлическим экраном бункера, размещенного в полупроводящем грунте, при этом каждое плечо симметричных вибраторов состоит из двух секций симметричных вибраторов, каждую из которых через соответствующее фидерное устройство объединяют на тройниковой муфте, причем два плеча каждого яруса образуют расположенное над бункером антенное полотно в форме квадрата, сформированного из равноудаленных друг от друга четырех секций симметричных вибраторов, секции первого и второго ярусов располагают параллельно друг другу, а симметричные вибраторы первого яруса ортогональны симметричным вибраторам второго яруса, при этом вход каждого плеча ярусов подключают к соответствующему фидерному устройству, подключенному к первому и второму выходам широкополосного согласующего устройства, подключенного к выходу вводно-защитного устройства, вход которого подключен к соответствующему выходу направленного ответвителя блока защиты дополнительно установленного устройства контроля, включающего также радиочастотный блок, блок мониторинга и управления и блок контроля и индикации, при этом первый вход направленного ответвителя подключают к соответствующему отдельному выходу двухканального передающего устройства, а второй вход - к соответствующему каждому ярусу отдельному выходу радиочастотного блока, подключенного через отдельные для каждого яруса входы к блоку мониторинга и управления, вход которого сообщен с выходом блока контроля и индикации.
Вибратор представляет собой коаксиальный высокочастотный кабель, состоящий из трех участков - начального, среднего и концевого, изолированных радиочастотными радиопрозрачными муфтами, а концевой участок с противоположной стороны изолирован радиочастотной концевой муфтой.
Длина плеча симметричного вибратора первого и второго ярусов выбрана в пределах
макс
где λ - максимальная длина волны;
r
ε - относительная диэлектрическая проницаемость засыпаемого грунта.
Число вибраторов в секции определяют исходя из
где L - длина плеча симметричных вибраторов.
- расстояние между симметричными вибраторами
и выбирают равным большему кратному целому четному числу.
Симметричные вибраторы, образующие плечи симметричных вибраторов первого и второго ярусов, в каждом плече сгруппированные в секции состоят из параллельно расположенных элементов секции, количество которых определяют исходя из
где N - количество вибраторов
и выбирают равным кратному целому четному числу.
Элемент секции состоит из параллельно расположенных и объединенных попарно при помощи тройниковой муфты вибраторов, при этом объединенные начальные участки которых соединяют через гидроизоляционную тройниковую муфту с компенсатором, а концевой участок каждого вибратора через радиочастотную концевую муфту с нагрузочным элементом.
Элементы в секции объединяют попарно с помощью тройниковой муфты, полученные объединенные элементы, повторно объединяют попарно с помощью тройниковой муфты до соединения всех элементов секции в одну тройниковую муфту, являющуюся входом плеча.
Вибраторы в элементе секции и элементы секции располагают эквидистантно или неэквидистантно.
При неэквидистантном расположении вибраторов расстояние между соседними вибраторами в элементе секции определяют соотношением
где L - длина плеча вибратора,
а расстояние между элементами секции уменьшается от центральной части к наружной.
При эквидистантном расположении вибраторов расстояние между соседними вибраторами в элементе секции и расстоянием между элементами секции симметричных вибраторов определяют исходя из
где L - длина плеча вибратора.
Ширину разнесения секций симметричных вибраторов вокруг бункера определяют исходя из
где L - длина плеча симметричных вибраторов.
Высота разнесения по высоте первого и второго ярусов составляет
где  - расстояние между симметричными вибраторами.
При включении двухканального передающего устройства, его выходные сигналы с первого и второго выходов равные по амплитуде, но сдвинутые по фазе на 90 градусов являются возбуждающими для четырех секций верхнего и нижнего ярусов симметричных вибраторов. Пройдя через дополнительно установленное устройство контроля, а также через вводно-защитное устройство и широкополосное согласующее устройство, возбуждающая сила ЭДС через фидерные устройства «вносится» в середину каждой секции верхнего и нижнего ярусов, чем достигается равноамплитудное и синфазное возбуждение всех секций. Это с учетом ортогонального расположения симметричных вибраторов каждого яруса реализует обязательные условия формирования требуемого поля излучения, фазовую и пространственную квадратуры и равноамплитудность возбуждения ортогональных ярусов.
1
Структура излучаемого поля обеспечивает формирование диаграммы направленности для работы радиолинии ионосферными волнами в горизонтальной плоскости практически круговой. Все точки подключения симметричных вибраторов одного плеча излучателя каждого яруса имеют одинаковую фазу возбуждающей ЭДС, т.к. ширина отдельных групп элементов секции значительно меньше длины волны, расфазировка плеч практически отсутствует и токи, протекающие в каждом из вибраторов яруса будут синфазными. Четное число симметричных вибраторов N и элементов секций N в секции позволяет достичь равномерность распределения токов по вибраторам, и тем самым обеспечить возможность достижения близкой к равномерной форме диаграммы направленности.
Таким образом, совокупность существенных признаков позволяет получить максимум суммарного высокочастотного тока при максимально возможной равномерности их распределения в секциях, вследствие чего указанные характеристики заявляемого АФУ указывают на более высокую его эффективность в формировании коэффициента усиления, в сравнении с ближайшим аналогом, т.е. повысить коэффициент усиления и улучшить характеристики диаграммы направленности.
Кроме этого, дополнительное введение в АФУ устройства контроля, включающего блок защиты, содержащего два направленных ответвителя, радиочастотный блок, блок мониторинга и управления, а также блок контроля и индикации, позволяет осуществить, в интервалах между подачей сигналов, измерение и контроль параметров АФУ во всем рабочем диапазоне частот передающего устройства, т.е. обеспечить сканирование работы АФУ, а также информационное оповещение оператора (при наличии) формируя информационные предупреждающие сигналы (НОРМА, ПРЕДАВАРИЯ, АВАРИЯ) и транслируя их по волоконно-оптической линии связи на центральный пульт управления и контроля объекта эксплуатации. При этом измерение входного сопротивления (активного и реактивного) и коэффициента бегущей волны (КБВ) и сравнение этих значений со значениями, введенными в устройство контроля при строительстве АФУ или проведении регламентированного технического обслуживания (РТО).
На фиг. 1 представлен коаксиально-разрезной вибратор (заготовка), на фиг. 2 - коаксиально-разрезной вибратор в сборе, на фиг. 3 - элемент секции симметричных вибраторов, на фиг. 4 - антенное полотно секций симметричных вибраторов верхнего яруса, на фиг. 5 - антенное полотно секций симметричных вибраторов нижнего яруса, на фиг. 6 - схема антенного полотна, образованного верхним и нижним яруса симметричных вибраторов, на фиг. 7 - запитка симметричных вибраторов в секции с не эквидистантным распределением вибраторов верхнего и нижнего ярусов, на фиг. 8 - запитка симметричных вибраторов в секции с эквидистантным распределением вибраторов верхнего и нижнего ярусов, на фиг. 9 - структурная схема построения АФУ, на фиг. 10 - вариант формы котлована для строительства АФУ.
Антенно-фидерное устройство СВ, ДВ диапазонов постоянной готовности устройство содержит разнесенные по высоте первый ярус 7 и второй ярус 8 симметричных вибраторов 1, плечи которых в виде проводников сгруппированы и установлены параллельно друг другу в одной геометрической плоскости по обе стороны окруженного металлическим экраном бункера 2, размещенного в полупроводящем грунте. Длина каждого плеча симметричного вибратора 1 первого яруса 7 и второго яруса 8 соответственно выбрана в пределах:
макс
где λ - максимальная длина волны;
r
ε - относительная диэлектрическая проницаемость засыпаемого грунта.
Симметричный вибратор 1 представляет собой коаксиальный высокочастотный кабель, состоящий из трех участков - начального 19, среднего 20 и концевого 21, изолированных радиочастотными радиопрозрачными муфтами 22, а концевой участок 21 с противоположной стороны изолирован радиочастотной концевой муфтой 25. Вибратор может быть выполнен из коаксиального кабеля, например, марки РК-50-44-19-Б или РК-50-44-19-БМ.
Каждое плечо состоит из двух секций 3 симметричных вибраторов 1, каждая из которых состоит из элементов секции 27, количество которых определяют исходя из
где N - количество вибраторов 1 и выбирают равным кратному целому четному числу.
При этом число симметричных вибраторов 1 в секции 3 определяют исходя из
где L - длина плеча симметричных вибраторов 1.
- расстояние между симметричными вибраторами 1 и выбирают равным большему кратному целому четному числу. При этом элементы 27 в секции 3 объединяют попарно с помощью тройниковой муфты 23, полученные объединенные элементы секции повторно объединяют попарно с помощью тройниковой муфты 23 до соединения всех элементов 27 секции в одну тройниковую муфту 23, являющейся входом плеча симметричных вибраторов 1.
Два плеча верхнего 7 и нижнего 8 ярусов образуют расположенное над бункером 2 антенное полотно 6 в форме квадрата, сформированного из равноудаленных друг от друга четырех секций 3 симметричных вибраторов 1. Секции первого и второго ярусов 7 и 8 соответственно располагают параллельно друг другу на высоте разнесения:
где  - расстояние между симметричными вибраторами.
При этом симметричные вибраторы 1 первого яруса 7 ортогональны симметричным вибраторам 1 второго яруса 8.
На фиг. 7 и 8 представлена секция 3 первого 7 и второго 8 ярусов, состоящая из восьми элементов секций 27, каждый из которых состоит из объединенных попарно при помощи тройниковой муфты 23 вибраторов 1, при этом объединенные начальные участки 19, которых соединяют через гидроизоляционную тройниковую муфту 23 с компенсатором 24, а концевой участок 21 каждого вибратора 1 через радиочастотную концевую муфту 25 с нагрузочным элементом 26. Полученные восемь элементов секции 27 объединяют попарно с помощью тройниковой муфты 23, полученные объединенные элементы 27 повторно объединяют попарно с помощью тройниковой муфты 23, операцию повторяют до соединения всех элементов секции 27 в одну тройниковую муфту 23. После чего тройниковую муфту 23 двух секций 27 каждого плеча симметричных вибраторов 1 через соответствующее фидерное устройство 4 объединяют на тройниковой муфте 23, образуя вход каждого плеча ярусов 7 и 8. Полученные входы каждого плеча симметричных вибраторов 1 верхнего 7 и нижнего 8 ярусов подключают к соответствующим фидерным устройствам 9, которые в свою очередь подключают к первому и второму выходам широкополосного согласующего устройства 10, подключенного к выходу вводно-защитного устройства 11, вход которого подключают к выходу направленного ответвителя 12, входящего в общий для верхнего 7 и нижнего 8 ярусов блок защиты 13 дополнительно установленного устройства контроля 14. Первый вход направленного ответвителя 12 подключают к соответствующему верхнему 7 и нижнему 8 ярусу отдельному выходу двухканального передающего устройства 28, в результате чего каждый выход передающего устройства работает на свой ярус, а второй вход - к соответствующему каждому верхнему 7 и нижнему 8 ярусу отдельному выходу радиочастотного блока 15, подключенного через отдельные для каждого яруса входы к блоку мониторинга и управления 16, вход которого сообщен с выходом блока контроля и индикации 17.
Устройство работает следующим образом. В режиме передачи радиосигнал от передающего устройства 28 поступает на вводно-защитное устройство 11, которое обеспечивает защиту выходных цепей передатчика от перенапряжения, возникающего при воздействии на антенну электромагнитного импульса. Далее сигнал по фидерному устройству 9 через коаксиальный разъем поступает на широкополосное согласующее устройство 10 и далее поступает на излучающие секции 3 вибраторов 1.