ТУННЕЛЬНАЯ НИЗКОЧАСТОТНАЯ АНТЕННА
TUNNEL LOW-FREQUENCY ANTENNA

r
Изобретение относится к радиотехнике, а именно к антенной технике, и, в частности, заявленная туннельная низкочастотная антенна (ТНЧА) относится к классу подземных антенн (ПА) и может быть использована в качестве передающей низкочастотной (НЧ) антенны, устанавливаемой в туннеле, пробуренном в полупроводящем грунте (ППГ), характеризуемом геоэлектрическими параметрами: ε - относительной диэлектрической проницаемостью и σ - удельной электропроводимостью.
Известны ПА, описанные в патенте US №3346864, 1967 г. и в патенте RU №2115980, 1998 г. ПА по патенту US №3346864 состоит из совокупности параллельных друг к другу симметричных вибраторов (СВ), плечи каждого из которых установлены в горизонтальных туннелях, пробуренных в 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 связанного реактивного поля СВ, приводящего к значительным тепловым потерям в ППГ.
ПА по патенту RU №2115980, 1998 г. состоит из двух ярусов разнесенных по высоте СВ, плечи которых установлены в горизонтальных туннелях, пробуренных в ППГ и подключенных к выходу РПРД, размещенном бункере, также заглубленном в ППГ. Бункер окружен металлическим экраном.
Недостатком данной ПА является ее относительно низкий 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 ТНЧА является известная подземная антенна по патенту RU №2262164, опубл. 10.10.2005 г., МПК HO1Q 1/04. ПА - прототип - состоит из двух ярусов СВ, плечи которых в виде совокупности из К проводников установлены в туннелях, пробуренных в ППГ с геоэлектрическими параметрами ε и σ.
Плечи СВ подключены к выходам делителей мощности, которые, в свою очередь, подключены к выходу РПРД, размещенного в экранированном бункере. 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 антенны из-за возможного обрушения свода туннеля при воздействии на него дестабилизирующих факторов (вибрационных или ударных нагрузок);
относительно низкая эффективность (КУ), обусловленная высокой концентрацией связанного реактивного поля СВ, приводящая к значительным тепловым потерям в полупроводящем грунте.
Целью изобретения является разработка ТНЧА, обеспечивающей достижение более высокого КУ за счет снижения концентрации связанного реактивного поля при одновременном повышении устойчивости конструкции антенны к ударным и вибрационным нагрузкам.
т
r
м
мс
ст
в
т
Указанный технический результат достигается тем, что в известной туннельной низкочастотной антенне, содержащей СВ, плечи которого L размещены осесимметрично в полости туннеля с диаметром поперечного сечения D, пробуренном в ППГ с относительной диэлектрической проницаемостью ε и удельной электропроводимостью σ, примыкающие друг к другу концы плеч СВ подключены к выходу РПРД, установленного в бункере, размещенном в ППГ и окруженном металлическим экраном, участки полости туннеля протяженностью l и разделенные между собой зазором Δ металлизированы. Через отверстия в металлизации каждого из металлизированных участков туннеля по его образующей поверхности с интервалом l в ППГ погружены по N металлических стержней анкерной крепи. Стержни длиной l ориентированы радиально от центра поперечного сечения туннеля вглубь полупроводящего грунта. Каждое плечо СВ выполнено в виде совокупности из К проводников, расположенных по образующей цилиндрической поверхности с диаметром поперечного сечения D, меньшим диаметра D поперечного сечения туннеля.
Цилиндрическая поверхность, образованная К проводниками, соосна с внутренней поверхностью туннеля. Причем проводники, образующие плечи СВ, скреплены с поверхностью туннеля с помощью диэлектрической подвески.
ст
ст
т
т
-3
Длина l металлических стержней анкерной крепи выбрана в интервале l=(1,0-1,5)D. Зазор Δ между примыкающими кромками участков выбран в интервале Δ=(9-20)·10 D.
Длина L каждого из плеч СВ выбрана из условия
max
где  - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводящего грунта; λ - максимальная длина волны рабочего диапазона волн антенны.
м
м
Длина l металлизированных участков туннеля выбрана в интервале l=(0,15-0,25)L.
Число N металлических стержней анкерной крепи на каждом металлизированном участке туннеля и число К проводников в каждом плече СВ выбраны в пределах N=8-12, K=4-8.
Благодаря указанной новой совокупности существенных признаков в ТНЧА обеспечивается подкрепление свода туннеля и снижение вероятности его обвала из-за возможного возникновения трещиноватости при вибрационных и ударных нагрузках. Одновременно использование стержней анкерной крепи увеличивает эквивалентный диаметр плеч СВ и, следовательно, снижает их волновое сопротивление, что приводит к снижению концентрации связанного реактивного поля и уменьшению тепловых потерь в полупроводящем грунте. Кроме того, наличие металлизированных участков туннеля приводит к меньшему затуханию амплитуд тока вдоль плеч СВ, т.е. к увеличению действующей длины СВ. Отмеченное указывает на возможность достижения технического результата при использовании заявленной ТНЧА.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - общий вид антенны (продольный разрез);
на фиг. 2 - поперечное сечение антенны;
на фиг. 3 - распределение амплитуд в.ч. тока вдоль плеч СВ - заявленной ТНЧА;
на фиг. 4 - распределение амплитуд в.ч. тока вдоль плеч СВ - прототипа;
на фиг. 5 - результаты сравнительных измерений эффективности антенн.
в
r
Заявленная ТНЧА, показанная на фиг. 1, состоит из симметричного вибратора (СВ), плечи которого выполнены в виде совокупности из К проводников 1, расположенных равномерно по образующей цилиндрической поверхности с диаметром поперечного сечения D, осесимметричной с полостью туннеля 2, пробуренного в полупроводящем грунте (ППГ) 3 с относительной диэлектрической проницаемостью ε и удельной электропроводимостью σ.
Примыкающие друг к другу концы плеч СВ подключены к выходу РПРД 4, установленного в бункере 5, также размещенном в ППГ 3 и окруженном 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).
в
в
т
С целью ослабления шунтирующего действия торцевой емкости в местах подключения проводников 1 плеч СВ к выходу РПРД 4 их электрически соединяют между собой в виде конуса (см фиг. 1). Проводники 1 плеч СВ выполнены из кабеля типа РК75-74-19Б и закреплены равномерно по контуру туннеля 2 с помощью диэлектрической подвески 7. Диаметр D поперечного сечения плеч СВ выбирают с учетом технологических особенностей туннеля 2 и возможности наиболее полного использования полости туннеля 2. Это условие достигается, если D составляет (0,85-0,9)D.
м
ст
ст
ст
Участки 8 полости туннеля 2 длиной по l металлизированы по всему контору с помощью металлических вставок 9. Между примыкающими кромками смежных металлических вставок 9 устанавливают зазор Δ. Через отверстия в металлических вставках 9 каждого из металлизированных участков 8 внутренней поверхности туннеля 2 по его образующей с интервалом l равномерно в ППГ 3 погружены по N металлических стержней (МС) 10 анкерной крепи длиной l и диаметром d.
ст
ст
т
ст
ст
ст
Длина l МС 10 выбрана в пределах l=(1,0-1,5)D, а диаметр d их поперечного сечения - в интервале d=(0,01-0,02)l.
м
м
м
т
-3
Протяженность l металлизированных участков 9 в туннеле 2 выбирают из условия l=(0,15-0,25)L, таким образом, чтобы на длине каждого плеча все участки 8 были равной длины l. Зазор Δ между металлическими кромками примыкающих друг к другу металлизированных участков 8 выбирают в интервале Δ=(9-20)·10 D.
Для достижения указанного технического результата длина L плеча СВ должна выбираться с учетом условия (1).
в
т
в
т
Число N МС 10 на каждом металлизированном участке 8 туннеля 2 и число K проводников 1 в плече СВ выбирают в пределах N=8-12 и K=4-8. Соотношение диаметров D и D выбирают в пределах D/D=0,85-0,9.
Заявленная ТНЧА работает следующим образом.
в
вэ
э
п
об
т
тэ
При включении РПРД 4 высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I протекает вдоль плеч СВ 11 с эквивалентным диаметром поперечного сечения D (см. фиг. 3). Одновременно на внутренней поверхности металлических вставок 9 индуцируется в.ч. ток проводимости I в обратном направлении. При этом в каждом зазоре Δ возникает парциальная возбуждающая ЭДС, амплитуда которой пропорциональна амплитуде в.ч. тока в эквивалентном СВ 11 в сечении данного зазора. Следовательно, каждую пару металлических вставок 9, примыкающих друг к другу, необходимо рассматривать как электрически короткий диполь. Функция распределения амплитуд тока I на внешней поверхности каждого короткого диполя будет близка к линейной. В силу того что эквивалентный вибратор 11 экранирован от полупроводящего грунта и находится в диэлектрической среде полости туннеля 2, распределение амплитуд в.ч. тока по его длине близко к синусоидальному закону. Аналогично общая огибающая амплитуд в.ч. тока I по внешней поверхности металлических вставок 9 будет также близка к синусоидальной функции. Причем с учетом присутствия металлических стержней 10 диаметр поперечного сечения по внешней поверхности металлических вставок 9 увеличивается с D до D. Это означает снижение волнового сопротивления совокупности электрически коротких диполей, образованных каждой парой примыкающих друг к другу металлизированных участков 8, и, следовательно, приведет к снижению тепловых потерь в окружающем ППГ 3, т.е. к увеличению эффективности (КУ) ТНЧА.
r
На фиг. 4 показано распределение амплитуд в.ч. тока вдоль СВ прототипа, размещенного в туннеле, пробуренном в ППГ с аналогичными макроскопическими параметрами ε и σ. При этом функция распределения амплитуд в.ч. тока близка к быстрозатухающей экспоненте, что указывает на значительно меньшую площадь тока и, следовательно, меньшую эффективность прототипа по сравнению с заявленной ТНЧА.
Одновременно МС 10 анкерной крепи выполняют роль подкрепления свода туннеля 2 от возможного обвала ППГ 3 из-за возникающей его трещиноватости при воздействии ударных или вибрационных перегрузок.
Для подтверждения возможности достижения технического результата были проведены сравнительные экспериментальные измерения коэффициента усиления заявленной антенны и прототипа по методике, описанной в книге: Фрадин А.З., Рыжов Е.В. Измерение параметров антенно-фидерных устройств. Изд. 2-е, дополненное. - М: Связь, 1972. - С. 262-271.
Условия проведения измерений следующие:
max
т
в
ст
ст
r
4
-5
наибольшая длина волны рабочего диапазона волн λ=3·10 м; L=700 м; D=4,5 м; D=4 м; l=4,5 м; d=3,5 см; N=8; K=8; грунт с геоэлектрическими параметрами: ε=10; σ=5·10 См/м.
Результаты измерений, показанные на фиг. 5, дают основания для следующих выводов.
В диапазоне L/λ=0,03-0,3 коэффициент усиления (G) ТНЧА в сравнении с прототипом выше от 2 дБ до 5,5 дБ. Наличие введенных в конструкцию антенны МС 10 анкерной крепи не только выполняет роль подкрепления грунта при воздействии ударных и вибрационных нагрузок, но и приводит к неожиданному эффекту, заключающемуся в повышении эффективности антенны. Отмеченное указывает на возможность достижения технического результата при использовании ТНЧА.