ПОДЗЕМНАЯ АНТЕННА
UNDERGROUND ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, заявленная подземная антенна (ПА) может быть использована в качестве приемной или передающей антенны в коротковолновом (KB) или в ультракоротковолновом (УКВ) диапазонах.
Известны ПА, используемые в качестве элемента подземной фазированной антенной решетки (ПФАР), например, по патенту RU №2185697, опубл. 20.07.2002 г. Известная антенна представляет собой два плоских проводника, выполненных в виде равносторонних треугольников и подключенных по принципу самодополнительных структур, размещенных в толще земли параллельно границе раздела земля-воздух.
Недостатком известного аналога является невозможность работы в круговом направлении по азимутальной плоскости, связанной с концентрацией максимума характеристики направленности в осевом направлении относительно антенны.
Известна также ПА, используемая в качестве элемента ПФАР по патенту RU №2170997 от 20.07.2001 г. Антенна-аналог состоит из двух ортогональных плоских излучателей с шунтами, установленных параллельно поверхности земли. Для возбуждения (приема) электромагнитной волны в воздухе в заданном направлении один из плоских излучателей коммутируют на вход (выход) приемника (передатчика), за счет чего возможна работа во всей азимутальной плоскости.
Недостатком данного аналога является его низкий КПД при размещении в относительно высокопроводящих грунтах, обусловленный потерями в полупроводящей земле ближней зоны и излучением в нижнюю среду.
Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная ПА, используемая в качестве элемента ПФАР по патенту RU №2133531, опубл. 20.07.1999 г., МПК H01Q 21/00. Ближайший аналог (прототип) состоит из двух ортогональных пар излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды или на ее поверхности. Излучатели выполнены в виде четырехугольника, симметричного относительно его продольной оси и с отличающимися углами α и β при вершинах. Каждый излучатель по поперечной оси электрически соединен с соседним, что образует шунт для повышения диапазонности работы ПА. Каждый из ортогональных излучателей подключен к передатчику через коммутирующее устройство, для изменения направления максимального излучения.
Возбуждение электромагнитного поля в верхнем полупространстве (в воздухе) обусловлено наведением токов проводимости на границе раздела земля-воздух вблизи ПА, величина которых зависит от электрических параметров подстилающей поверхности и уменьшается с увеличением удельной проводимости грунта и увеличением глубины заложения ПА.
Недостатком ближайшего аналога является относительно низкая эффективность (коэффициент полезного действия) из-за существенного затухания излученного поля в полупроводящей среде, а также значительное колебание КУ при воздействии метеоосадков, приводящих к изменениям макроскопических параметров среды заложения ПА.
Целью изобретения является разработка подземной антенны, обеспечивающей повышение ее эффективности (КПД) и снижение влияния метеоосадков, приводящих к изменениям макроскопических параметров среды заложения ПА, на ее эффективность.
Заявленная ПА расширяет арсенал средств данного назначения.
r1
1
r1
1
1
r2
2
r3
3
Поставленная цель достигается тем, что в известной ПА, содержащей плоский элемент, состоящий из двух ортогональных пар плоских излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды с макроскопическими параметрами εи σ, где ε - относительная диэлектрическая проницаемость, σ - удельная проводимость среды, внешние концы всех излучателей электрически соединены с помощью короткозамыкающих проводников, примыкающие друг к другу концы каждой из ортогональных пар излучателей с помощью отрезков проводников независимо подключены к коаксиальным кабелям фидерного тракта, в полупроводящей среде выполнен котлован, на дно которого установлен дополнительно металлический экран, над которым на высоте h закреплен горизонтально плоский элемент. Объем котлована между плоскостями металлического экрана и плоского элемента заполнен грунтом с макроскопическими параметрами ε и σ, а объем котлована между плоскостями плоского элемента и границы раздела полупроводящей среды с воздухом заполнен грунтом с макроскопическими параметрами ε и σ. Отрезки проводников установлены вертикально между плоскостями металлического экрана и плоского элемента.
Металлический экран выполнен сетчатым с размерами квадратных ячеек
min
где λ - минимальная длина волны рабочего диапазона волн, ,  - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость грунта между плоским экраном и плоским элементом, j - мнимая единица.
ПЭ
ПЭ
Плоский элемент выполнен в форме окружности диаметром D, а каждый излучатель выполнен в виде металлической секторной пластины круга диаметром D и с углом α=(45°÷60°).
K
K
ПЭ
Котлован выполнен в форме круглого цилиндра, диаметр основания которого D выбран из условия D=(1,2-1,5)D.
Соотношение модулей относительных комплексных диэлектрических проницаемостей полупроводящей среды  и заполняющих грунтов ,  где λ - длина рабочей волны, выбраны из условия
при ;
при
max
Длина l каждого излучателя выбрана из условия , где λ - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.
1
Расстояние h между плоскостями металлического экрана и плоского элемента выбрано из условия .
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной ПА обеспечивается слабая зависимость эффективности (КПД) антенны от макроскопических параметров среды заложения и повышения эффективности ПА за счет снижения тепловых потерь в нижнем полупространстве.
Заявленная ПА поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - вид подземной антенны в плане;
на фиг.2 - вид подземной антенны в вертикальном разрезе;
на фиг.3 - схемы подключения фидерного тракта;
на фиг.4 - результаты расчета относительного выигрыша по эффективности заявленной антенны в сравнении с прототипом.
ПЭ
Заявленная ПА, показанная на фиг.1, состоит из плоского элемента, содержащего две пары ортогональных излучателей 1 (на фиг.1 заштрихованы). Каждый излучатель выполнен в виде металлической секторной пластины (МСП) с углом α в круге диаметром D. В частности МСП может быть выполнена со сплошной или сетчатой поверхностью. Внешние концы излучателей 1 соединены между собой короткозамыкающими проводниками 2. Внутренние концы каждой из пар ортогональных излучателей 1-1 и 1'-1' подключены к верхним концам проводников соответственно 5-5 и 5'-5' (см. фиг.3 узел А). В каждой из пар проводников 5-5 и 5'-5' один из них подключен к центральному проводнику коаксиальным кабелем 6(6'), а другим - к его экранной оболочке (см. фиг.3, узел Б, точки с-k и с'-k'). Подключение излучателя к выходу передатчика (входу приемника) осуществляют с помощью коммутирующего устройства (на фиг.3 не показано). Пары проводников 5-5 и 5'-5' могут быть выполнены из коаксиального радиочастотного кабеля без экранной оболочки. Марку кабеля выбирают исходя из требуемой электрической прочности.
K
max
1
r2
2
r3
3
Плоский элемент помещен аксиально в цилиндрический котлован 7 диаметром D. На дно котлована 7 установлен металлический экран 4, который может быть выполнен различным образом, например сетчатым с квадратной ячейкой размера d (см. фиг.1). Излучатели 1 закреплены компланарно относительно металлического экрана на высоте h, например, при помощи опорных стоек 3, выполненных из диэлектрика. Проводники 5 установлены вертикально между плоскостями металлического экрана 4 и плоского элемента. Объем котлована 7 между параллельными плоскостями металлического экрана 4 и плоского элемента заполнен грунтом 8 с макроскопическими параметрами ε и σ, а объем котлована 7 между плоскостями плоского элемента и границы раздела полупроводящей среды с воздухом заполнен грунтом 9 с макроскопическими параметрами ε и σ.
min
max
r1
1
Геометрические размеры всех элементов заявленной ПА выбирают исходя из требуемого рабочего диапазона длин волн λ÷λ и макроскопических параметров среды заложения ε и σ по следующим соотношениям, определяемых экспериментально:
;
K
ПЭ
D=(1,2-1,5)D;
при ;
при
- длина плеча излучателя 1;
2
2
Высоту h грунта 9 выбирают исходя из требуемой устойчивости ПА к вибрационным и ударным нагрузкам, в пределах h=(1-1,5) м.
Заявленная ПА работает следующим образом. При подаче возбуждающего напряжения от передатчика по фидерам 6, 6' к точкам питания с-k (c'-k') соответствующей пары излучателей 1-1 (1'-1') на их поверхности возбуждаются токи проводимости. Вторая пара излучателей 1'-1' (1-1), подключенных короткозамыкающими проводниками 2 к внешним концам возбуждаемой пары излучателей, выполняет роль распределенного шунта. Таким образом, заявленная ПА представляет собой симметричный шунтовой вибратор, что обеспечивает работу радиолинии в диапазоне частот с коэффициентом перекрытия не менее 4-х.
Электромагнитное поле (ЭМП), возбуждаемое токами проводимости, протекающими по поверхности излучателей, распространяется в верхнее и нижнее полупространства относительно плоскости плоского элемента.
r2
2
r2
2
1
r3
3
ЭМП, излученное в заполнитель с макроскопическими параметрами ε и σ, отражается от металлического экрана 4 и складывается с ЭМП, распространяющимся в верхнее полупространство. Требуемые параметры ε, σ среды заполнения пространства между плоскостями металлического экрана и плоским элементом, а также расстояние h между ними, обеспечивают разность фаз между отраженным ЭМП и распространяющимся в верхнее полупространство, кратную 2π, т.е. синфазность полей в среде с параметрами ε, σ, и, следовательно, увеличивают КУ ПА.
r3
3
Суммарное ЭМП, падающее на границу раздела земля-воздух, возбуждает в воздухе вторичное ЭМП с вертикальной относительно границы раздела компонентой электрического поля. Величина вертикальной составляющей вектора напряженности электрического поля в воздухе вблизи поверхности земли обратно пропорциональна .Таким образом, использование грунта с макроскопическими параметрами ε и σ, при выполнении неравенства , также будет увеличивать КПД заявленной ПА.
r1
1
2
r2
r3
2
3
1
1
r2
r3
2
3
1
1
-2
-3
-4
-5
-4
-2
-4
-3
-4
Правомерность теоретических рассуждений о возможности достижения технического результата проверена с помощью машинного моделирования и сравнительной численной оценки коэффициентов усиления (КУ) заявленной антенны и прототипа. При этом вычисления проводились для трех различных типов грунта с параметрами ε=5 и σ=10, 10, 10См/м, а геометрические размеры заявленной ПА и прототипа выбраны идентичными и равными l=3 м, α=60°, h=0,5 м. Электрические и геометрические пaрaметры грунтов заявленной ПА выбраны: ε=7, ε=10, σ=10 См/м, σ=10 См/м, h=0,2 м при σ=10 См/м; ε=ε=4, σ=σ=10 См/м, h=0,3 м при σ=10, 10 См/м. Результаты расчетов коэффициентов усиления сравниваемых образцов представлены на фиг.4,а, из которых следует: для высокопроводящих грунтов выигрыш составил 9-13 дБ, среднепроводящих - 4-7 дБ, а низкопроводящих - до 2 дБ.
r1
1
1
1
-2
-3
Макроскопические параметры грунта заложения ПА ε и σ могут изменяться под воздействием метеоосадков, изменение удельной проводимости грунта может варьироваться в пределах одного-двух порядков. На фиг.4,б представлены значения коэффициента усиления заявленной ПА и прототипа относительно изотропного излучателя при изменении удельной проводимости грунта заложения от σ=10 См/м до σ=10 См/м. Изменение коэффициента усиления прототипа составляет порядка 5-6 дБ, а заявленной ПА - не более 1,5 дБ.
Таким образом, полученные результаты подтвердили возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной ПА, т.е. возможность повышения ее эффективности (КПД и КУ) и снижение влияния изменения макроскопических параметров на эффективность антенны.