НИЗКОЧАСТОТНАЯ ПОДЗЕМНАЯ АНТЕННА
LOW-FREQUENCY UNDERGROUND ANTENNA

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, и, в частности, заявленная низкочастотная (НЧ) подземная антенна (ПА) может быть использована в качестве ненаправленной передающей антенны в НЧ диапазоне.
Известны НЧ ПА, например, по патенту GB №2140215А. Известная антенна представляет собой два прямолинейных проводника, размещенных в толще земли и подключенных к выходу радиопередатчика, установленного на поверхности земли.
Недостатком известного аналога является его низкий КПД, обусловленный потерями в полупроводящей земле ближней зоны, а также значительной потерей мощности его горизонтально поляризованного поля излучения на границе земля-воздух.
Известна также НЧ антенна по патенту США №3215937 от 2.11.1965 г. Антенна-аналог состоит из двух проводников, установленных параллельно поверхности земли и возбуждаемых по трансформаторной схеме. Между проводниками и поверхностью земли включены емкостные элементы, обеспечивающие некоторое увеличение ее КПД.
Недостатком известной НЧ антенны является ее низкая эффективность, обусловленная горизонтальной поляризацией излучаемого антенной электромагнитного поля (ЭМП), претерпевающего значительное затухание у поверхности земли.
Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная НЧ ПА по патенту РФ №2314605, опубл. 10.01.2008, бюл. №1, МПК H01Q 1/04. Ближайший аналог (прототип) состоит из N≥2 излучателей в виде наклонных проводников (НП), установленных в скважинах, пробуренных параллельно склонам земной возвышенности (ЗВ). Верхние концы НП электрически соединены друг с другом и с вершиной вертикального проводника (ВП), установленного в скважине, пробуренной вертикально от вершины ЗВ. Нижние концы НП электрически соединены друг с другом кольцевым проводником и через элемент настройки подключены к противовесу в виде совокупности проводов, радиально расходящихся от нижнего конца ВП. Кроме того, в наклонно пробуренные скважины установлены проводники шунта, подключенные к одному из наклонных проводников и к соответствующим выходам коммутатора поддиапазонов, вход которого подключен к коаксиальному фидеру.
В прототипе обеспечивается излучение вертикально-поляризованного ЭМП, что снижает уровень его затухания вдоль поверхности земли и, следовательно, увеличивает энергетический потенциал радиолинии, в составе которой будет использована данная НЧ ПА.
Недостатком ближайшего аналога является его относительно низкая эффективность.
Кроме того, построение антенны-прототипа связано со значительными экономическими затратами, обусловленными необходимостью проведения большого объема буровых работ для размещения противовеса.
Целью изобретения является разработка низкочастотной подземной антенны, обеспечивающей повышение ее эффективности (КПД) при одновременном снижении экономических затрат на ее построение.
Заявленная НЧ ПА расширяет арсенал средств данного назначения.
Поставленная цель достигается тем, что в известной НЧ ПА, содержащей ВП и излучатели, выполненные в виде НП, вертикальный и наклонный проводники установлены соответственно в скважине, пробуренной вертикально от вершины ЗВ, и в скважинах, пробуренных параллельно склонам ЗВ, верхние концы ВП и НП электрически соединены, скважины, пробуренные параллельно склонам ЗВ, размещены попарно в ортогональных плоскостях. Нижний конец ВП подключен к первой выходной клемме радиопередатчика (РПрд), установленного в бункере у основания вертикальной скважины. Нижние концы НП с помощью дополнительных проводников (ДП), установленных в горизонтально пробуренных скважинах, подключены к второй клемме РПрд.
В сечениях вертикальной скважины размещены буровые камеры, от которых в направлениях к наклонным скважинам пробурены дополнительные горизонтальные скважины (ДГС). В местах пересечения ДГС с осями наклонных скважин установлены концевые буровые камеры (КБК) для бурения наклонных скважин и установки в них НП антенны.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленной НЧ ПА обеспечивается формирование схемы квадрупольного излучателя, излучающего вертикально поляризованные ЭМВ, без использования противовеса и возбуждаемого непосредственным (без дополнительного фидера) подключением антенны к выходу РПрд. Этим обеспечивается исключение потерь в фидерном тракте и снижение объема буровых работ по установке НЧ ПА, т.е. обеспечивается достижение указанного технического результата - повышение КПД при одновременном снижении экономических затрат на ее построение.
Заявленная НЧ ПА поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг.1 - вид антенны, размещенной в толще земной возвышенности (в вертикальном разрезе - а, в плане - б);
на фиг.2 - экивалентная электрическая схема заявленной антенны;
на фиг.3 - распределение тока по проводникам, образующим рамки;
на фиг.4 - рисунки поясняющие принцип работы НЧ ПА;
на фиг.5 - результаты расчета относительного выигрыша по эффективности заявленной антенны в сравнении с прототипом.
Заявленная НЧ ПА, показанная на фиг.1, состоит из двух пар излучателей в виде НП 1, установленных в наклонных скважинах 2, пробуренных параллельно склонам ЗВ 3; ВП 4, установленного в вертикальной скважине 5, пробуренной вертикально от вершины ЗВ 3 вниз к бункеру 6, в котором установлен РПрд. 7. Бункер 6 вырублен в толще ЗВ 3 на глубине H у ее основания. Нижний конец ВП 4 подключен к первой выходной клемме РПрд. 7 (точка «а»). Нижние концы НП 1 с помощью ДП 11 подключены к второй выходной клемме РПрд. 7 (точка «б»)
Наклонные скважины 2 пробурены попарно в ортогональных плоскостях (см. фиг.1б). Конструкция антенны включает две пары наклонных скважин 2 для размещения в них соответственно двух пар НП 1. В сечениях вертикальной скважины 5 размещены в несколько ярусов буровые камеры 8 (на фиг.1а два яруса буровых камер), от которых пробурены дополнительные технологические горизонтальные скважины 9 в направлениях к соответствующим наклонным скважинам 2. Таким образом, всего в каждом ярусе пробурено по четыре дополнительных технологических горизонтальных скважин 9. На конце каждой технологической горизонтальной скважины 9 в месте ее пересечения с соответствующей наклонной скважиной 2 также установлены концевые буровые камеры (КБК) 10, КБК 10 предназначены для облегчения условий бурения наклонных скважин 2 и установки в них НП 1.
Вертикальный 4, наклонные 1 и дополнительные 11 проводники антенны могут быть выполнены из коаксиального кабеля, например, марки РК-75-44-1, без внешней экранирующей оболочки.
r
Глубину h расположения наклонных скважин 2 относительно боковой поверхности ЗВ 3 выбирают не более глубины скин-слоя, рассчитанной для минимальной длины волны рабочего диапазона волн антенны с учетом макроскопических параметров среды: относительной диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости σ. Толщина h земного слоя над скважиной 2 может изменяться до 20% из-за неровностей рельефа склона ЗВ 3, что практически не влияет на электрические параметры антенны в целом.
Заявленная ПА работает следующим образом. При включении РПрд. 7, под воздействием возбуждающей ЭДС, в рамках, образованных НП 1, ВП 4 и дополнительными проводниками 11, возбуждаются токи (фиг.3). Эквивалентная электрическая схема НЧ ПА представляет собой четыре рамочных излучателя, параллельно подключенных к выходу РПрд. 7 (фиг.2), причем ВП 4 образует одну из сторон для всех рамок. Параллельное включение рамочных излучателей снижает входное сопротивление НЧ ПА, тем самым облегчается согласование РПрд. с антенной по сопротивлению. Ток, протекающий по ВП 4, равномерно и синфазно делится между НП 1 (фиг.3). Токи, протекающие по дополнительным проводникам 11, противофазны и взаимно компенсируются. Таким образом, две противоположные рамки образуют квадрупольный излучатель.
рез
Σ
Σ
Электромагнитное поле (ЭМП), возбуждаемое токами наклонных проводников 1  (см. фиг.4), на границе воздух-земля переходит во внешне пространство (в воздух) без разрыва вектора напряженности электрического поля, т.е. , так как НП 1 установлены параллельно относительно поверхности склона ЗВ 3. Величина вектора напряженности электрического поля , возбуждаемого током ВП 4 в воздухе, существенно уменьшается в толще полупроводниковой земли ЗВ 3 и дополнительно ослабляется на границе воздух-поверхность склона ЗВ 3. Степень ослабления возрастает при более пологом склоне ЗВ 3. Результирующий вектор (Е) ЭМП, вышедший в воздух, включает две компоненты  и . При условии, что геометрические размеры ЗВ 3 много меньше длины волны в свободном пространстве, что справедливо для НЧ диапазона,  от каждой из рамок антенны складываются (Е на фиг.4), а  - компенсируются. Таким образом, ЭМП, возбуждаемое в воздухе заявленной НЧ ПА, имеет преимущественно вертикальную компоненту Е относительно плоской границы земля-воздух (z=0), что снижает степень поглощения ЭМП, распространяющегося вдоль поверхности земли, т.е. повышает коэффициент усиления антенны.
Кроме того, параллельное включение рамок, образованных проводниками антенны, снижает плотность тока в проводниках антенны, а следовательно, снижает концентрацию реактивного поля в ближней зоне, что приводит к снижению тепловых потерь в окружающей антенну полупроводящей среде ЗВ 3.
-5
r
[дБ]
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 число НП 1 принималось равным 4, глубина их заложения h=100 м, высота ЗВ H=2000 м, макроскопические параметры среды ЗВ: удельная проводимость σ=10 См/м, относительная диэлектрическая проницаемость ε=20. Диапазон рабочих частот 0,1-3 кГц. На фиг.5 приведены результаты расчета относительного выигрыша ΔG, по КУ заявленной антенны в сравнении с прототипом, из которых следует, что в рабочем диапазоне выигрыш ΔG составляет для заявленной антенны, 2-7 дБ. Кроме этого исключается необходимость проведения большого объема буровых работ, связанных с установкой противовеса имеющегося у прототипа.
Таким образом, полученные результаты подтвердили возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной НЧ ПА, т.е. возможность повышения ее эффективности (КПД и КУ) и снижения экономических затрат на ее установку.