Направленная антенна для подземного излучения
DIRECTIONAL ANTENNA FOR UNDERGROUND RADIATION

Изобретение относится к антенным устройствам, предназначенным для использования в радиосвязи, геофизике и геологии для подземного излучения радиосигналов. В настоящее время широко используются георадары для исследования подповерхностных слоев земли зондированием сверхкороткими электромагнитными импульсами. В связи с расположением передатчика и приемника на близком расстоянии друг от друга применяются антенны с резистивно-нагруженными диполями. Антенна для подземного излучения предназначена для использования с устройствами передачи с дифференциальным выходом. В имеющихся импульсных передатчиках георадаров применен дифференциальный выход, с которого на антенну подаются два разнополярных импульса длительностью 4 нс. Использование дифференциального выхода передатчика, помещенного в корпус, позволяет снизить применяемое напряжение в 2 раза относительно корпуса, повысить помехоустойчивость приемника при различных способах соединения передатчиков с антеннами (Ротхаммель К. Антенны: пер. с нем. 3-е изд. доп. - М.: Энергия, 1979 - с. 20-24). Антенны с резистивно-нагруженными диполями являются антеннами бегущей волны и обладают круговой диаграммой направленности. При расположении антенны на границе двух сред главный лепесток диаграммы направленности распространяется в более твердой среде, величина заднего лепестка составляет 25-30% от уровня главного лепестка. Сигналы, полученные от отражения заднего лепестка, являются паразитными, называются воздушной помехой и мешают обработке сигналов главного лепестка из более твердой среды.
Для устранения этого недостатка применяют различные технические решения. Так в «Экранированной антенне для георадаров» (Патент на полезную модель RU 142226 МПК H01Q 19/13), укомплектованной набором резистивно-нагруженных дипольных вибраторов для нескольких рабочих частот, шатровый экран состоит из нескольких слоев радиопоглощающего ворсового материала с определенными характеристиками, а вся конструкция выполнена сборно-разборной. В «Дипольной резистивно-нагруженной антенне» (Sandler S.S. US Patent 4498086 НКИ 343/807) плечи вибратора заключены в двойной коаксиальный цилиндр из диэлектрика. В приведенных случаях воздушная помеха снижается за счет ослабляющего экрана из неэлектропроводящих материалов. Однако известные решения реализуются устройствами, которые имеют значительные размеры, что усложняет их применение при работе в помещениях и сложных геологических условиях. Применение таких экранов в каротажных исследованиях вообще невозможно.
В «Антенне для георадара» (Патент RU 2117368 МПК H01Q 19/13), принятой нами за прототип, излучатель антенны, выполненный в виде резистивно-нагруженного дипольного вибратора, помещен в фокусе отражателя, представляющего собой параболоид из проводящего материала. Внутренняя полость параболоида заполнена материалом с диэлектрической проницаемостью, близкой к проницаемости грунта в направлении, параллельном плечам вибратора. Для работы в низкочастотном диапазоне отражатель представляет собой параболоид с наклонными боковыми торцевыми стенками. Использование предложенной антенны уже снимает ряд трудностей (звон антенны, расплывание импульса). Узкая диаграмма направленности антенны подавляет помехи, источники которых находятся вне лепестков диаграммы, значительно уменьшает вероятность наложения импульсов. Однако, и его основным недостатком являются размеры, что ограничивает сферу применимости. Так высота известной антенны - 0,5 м определяется фокусным расстоянием параболоида, размер антенны в поперечном направлении по образующей цилиндра - 0,55 м на частоте 30 МГц, ширина у вершины - 0,75 м, у основания - 1 м, импульс длительностью 4 нс, полоса излучаемого сигнала от 1 МГц до 250 МГц, максимальная амплитуда на частоте 30 МГц.
Решаемая техническая задача - создание устройства, пригодного для использования в сложных условиях (стена шахты, скважина), где определяющими факторами являются размеры, при сохранении или улучшении помехозащищенности
При распространении сигнала по резистивно-нагруженному диполю происходит электромагнитное излучение. Одновременно часть энергии теряется на резисторах и к концам диполя снижается до минимального уровня. Кроме того, при расположении антенны внутри металлического экрана возникают паразитные колебания. Для устранения данных эффектов и снижения воздушной помехи предлагается сделать металлический экран частью передатчика, для чего корпус передатчика и последние электропроводящие сегменты резистивно-нагруженного диполя электрически соединяют с металлическим экраном. Резистивно-нагруженный диполь располагают под металлическим экраном на расстоянии от него в пределах от 0,5 до 3 ширин резистивно-нагруженного диполя. При соотношении менее 0,5 резко возрастают внутренние потери антенны. При соотношении размеров свыше 3 экран перестает работать и диаграмма направленности становится круговой без выраженного главного лепестка. Кроме того, электрическое соединение резистивно-нагруженного диполя и металлического экрана осуществляют с возможностью изменения емкостной связи между ними, например, перемещением соединяющих элементов с помощью резьбового соединения в вертикальном направлении по отношению к металлическому экрану. Импульсы с выхода передатчика поступают на резистивно-нагруженный диполь, происходит излучение и полное ослабление сигнала на последних элементах резистивно-нагруженного диполя
Для пояснения предлагаемого решения представлен следующий графический материал. На фиг. 1 приведен общий вид направленной антенны для подземного излучения, где: 1 - корпус передатчика, 2 - диполь, 3 - электропроводящие сегменты диполя, 4 - резисторы, 5 - проводники соединения диполя с металлическим экраном, 6 - металлический экран, h - расстояние от диполя до экрана,  - длина диполя, b - ширина диполя,  - длина экрана, b1- ширина экрана. На фиг. 2, 3, 4 приведены примеры для иллюстрации изменения диаграммы направленности антенны в зависимости соответственно от: изменения h, наличия экрана, наличия экрана при каротаже.
При этом на фиг. 1 корпус передатчика расположен на одной стороне металлического экрана 6 и электрически соединен с ним. Резистивно-нагруженный диполь 2 шириной b расположен на другой стороне металлического экрана 6 на расстоянии h и соединен с выходом передатчика (на фиг. 1 не показан), помещенного в корпусе 1. Диполь 2 состоит из электропроводящих сегментов 3, которые соединены между собой резисторами 4. Последние электропроводящие сегменты 3 диполя 2 через проводники 5 соединены с металлическим экраном 6. При этом соединение выполнено с возможностью перемещения диполя 2 в вертикальном направлении по отношении к металлическому экрану 6, например, резьбовым соединением, для изменения расстояния h. Соотношение размеров  и  определяют, исходя из следующих соображений  как параметр антенны, определяется рабочей частотой излучения. Известно, что  должна быть длиннее  на 25% для исключения краевых эффектов для антенн бегущей волны.
Для осуществления предлагаемого технического решения антенну располагают на границе двух сред или в скважине. Разнополярные сигналы с передатчика поступают на резистивно-нагруженный диполь 2 и начинают излучаться по мере распространения по электропроводящим сегментам 3 диполя 2. Одновременно происходит ослабление уровня сигнала на резисторах 4. Обычно, для периодических сигналов, если вся энергия сигнала не излучилась, происходит отражение от края антенны и дальнейший возврат некоторой части импульса обратно в передатчик. В данном случае происходит полное затухание излучаемого импульса
Экспериментальные исследования показали, что, изменяя расстояние h с помощью резьбового соединения, можно изменять диаграмму направленности антенны. Происходит изменение амплитуды и формы диаграммы, появляются или исчезают ее боковые лепестки. Для фиксированной ширины диполя увеличение расстояния h приводит к тому, что рост амплитуды главного лепестка замедляется. При двукратном превышении расстояния h над шириной b амплитуда боковых лепестков диаграммы направленности превышает амплитуду главного лепестка (фиг. 2). При равенстве ширины диполя b, ширины экрана b1 и расстояния h между ними диаграмма направленности превращается в круговую. В зависимости от соотношения ширины диполя b и расстояния диполя от экрана h, характеризующего величину емкостной связи между b и h, меняются параметры диаграммы направленности антенны. Результаты измерений показали, что уровень задних (боковых) лепестков диаграммы направленности для антенны без экрана составляет 32%, а у предложенной антенны с экраном - 18% (фиг. 3). Соотношения ширины b диполя 2 и расстояния h также зависит от формы экрана и от величины диэлектрической проницаемости материала между диполем 2 и металлическим экраном 6. Приведенные расстояния соответствуют диэлектрической проницаемости воздуха равной 1. Экспериментально установлено, что для каротажа оптимален полуцилиндр с заполнением свободного пространства наполнителем для гидроизоляции, изменяющим расстояние h, для расположения на транспортных средствах - П-образный профиль. Наиболее показательным является пример, приведенный на фиг. 4, где показано, что при наличии экрана при каротаже вместо кругового излучения получаем ярко выраженную направленную антенну. При этом геометрические размеры антенны длиной 1 м составляют высота - 60 мм, ширина - 90 мм. Антенна для каротажа имеет диаметр 90 мм при длине 1 м, импульс длительностью 4 нс, полоса излучаемого сигнала от 1 МГц до 250 МГц, максимальная амплитуда на частоте 80-100 МГц.
Предлагаемое техническое решение было реализовано в виде изготовленных макетных образцов и проведены измерения на территории ИЗМИРАН на двух стендах для проведения наземных испытаний и двух скважинах для экспериментов по каротажу, что подтверждает практическую осуществимость и достигаемый технический результат.