Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2472263

(19)

RU

(11)

2472263

(13)

C2

(51) МПК H01Q21/00 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.12.2012 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011112633/07, 01.04.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

01.04.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 01.04.2011

(43) Дата публикации заявки: 10.10.2012

(45) Опубликовано: 10.01.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 2133531 C1, 20.07.1999. RU 2170997 С1, 20.07.2001. RU 2185697 С1, 20.07.2002. RU 2314604 C1, 10.01.2008. RU 2115980 C1, 20.07.1998. US 1424365 A1, 01.08.1922. US 3594798 A1, 20.07.1971. US 3435457 A1, 25.03.1969. US 3346864 A1, 10.10.1967. EP 0345454 A1, 13.12.1989.

Адрес для переписки:

194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 3, ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ, Бюро изобретательства

(72) Автор(ы):

Проценко Михаил Сергеевич (RU),

Риконен Денис Юрьевич (RU),

Чернолес Владимир Петрович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства Обороны Российской Федерации (Минобороны России) (RU)

(54) ПОДЗЕМНАЯ АНТЕННА

(57) Реферат:

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. Техническим результатом от использования ПА является повышение ее эффективности (КПД) и снижение влияния изменений макроскопических параметров среды заложения ПА на ее эффективность. ПА состоит из плоского элемента (ПЭ) в виде ортогональных пар плоских излучателей (ПИ) 1, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды (ППС) с макроскопическими параметрами r1 и 1 . Внешние концы ПИ 1 электрически соединены с помощью короткозамыкающих проводников к.з. 2. Примыкающие друг к другу концы каждой из пар ПИ 1 с помощью отрезков коаксиального кабеля подключены к фидерным трактам. В ППС выполнен котлован, на дно которого установлен дополнительно металлический экран МЭ. Над МЭ на высоте h 1 закреплен горизонтально ПЭ. Объем котлована между параллельными плоскостями МЭ и ПЭ заполнен грунтом с макроскопическими параметрами r2 и 2 , а объем котлована между плоскостями ПЭ и границы раздела ППС с воздухом заполнен грунтом с макроскопическими параметрами r3 и 3 , причем отрезки коаксиальных кабелей установлены вертикально между плоскостями МЭ и ПЭ. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

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 и 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.

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 r1 и 1 , где r1 - относительная диэлектрическая проницаемость, 1 - 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 1 закреплен горизонтально плоский элемент. Объем котлована между плоскостями металлического экрана и плоского элемента заполнен грунтом с макроскопическими параметрами r2 и 2 , а объем котлована между плоскостями плоского элемента и границы раздела полупроводящей среды с воздухом заполнен грунтом с макроскопическими параметрами r3 и 3 . Отрезки проводников установлены вертикально между плоскостями металлического экрана и плоского элемента.

Металлический экран выполнен сетчатым с размерами квадратных ячеек

где min - минимальная длина волны рабочего диапазона волн, , - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость грунта между плоским экраном и плоским элементом, j - мнимая единица.

Плоский элемент выполнен в форме окружности диаметром D ПЭ , а каждый излучатель выполнен в виде металлической секторной пластины круга диаметром D ПЭ и с углом =(45°÷60°).

Котлован выполнен в форме круглого цилиндра, диаметр основания которого D K выбран из условия D K =(1,2-1,5)D ПЭ .

Соотношение модулей относительных комплексных диэлектрических проницаемостей полупроводящей среды и заполняющих грунтов , где - длина рабочей волны, выбраны из условия

при ;

при

Длина l каждого излучателя выбрана из условия , где max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн.

Расстояние h 1 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.

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 в круге диаметром D ПЭ . 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.

Плоский элемент помещен аксиально в цилиндрический котлован 7 диаметром D K . На дно котлована 7 установлен металлический экран 4, который может быть выполнен различным образом, например сетчатым с квадратной ячейкой размера d max (см. фиг.1). Излучатели 1 закреплены компланарно относительно металлического экрана на высоте h 1 , 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 r2 и 2 , а объем котлована 7 между плоскостями плоского элемента и границы раздела полупроводящей среды с воздухом заполнен грунтом 9 с макроскопическими параметрами r3 и 3 .

Геометрические размеры всех элементов заявленной ПА выбирают исходя из требуемого рабочего диапазона длин волн min ÷ max и макроскопических параметров среды заложения r1 и 1 по следующим соотношениям, определяемых экспериментально:

;

D K =(1,2-1,5)D ПЭ ;

при ;

при

- длина плеча излучателя 1;

Высоту h 2 грунта 9 выбирают исходя из требуемой устойчивости ПА к вибрационным и ударным нагрузкам, в пределах h 2 =(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.

ЭМП, излученное в заполнитель с макроскопическими параметрами r2 и 2 , отражается от металлического экрана 4 и складывается с ЭМП, распространяющимся в верхнее полупространство. Требуемые параметры r2 , 2 среды заполнения пространства между плоскостями металлического экрана и плоским элементом, а также расстояние h 1 между ними, обеспечивают разность фаз между отраженным ЭМП и распространяющимся в верхнее полупространство, кратную 2 , т.е. синфазность полей в среде с параметрами r3 , 3 , и, следовательно, увеличивают КУ ПА.

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 r3 и 3 , при выполнении неравенства , также будет увеличивать КПД заявленной ПА.

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 r1 =5 и 1 =10 -2 , 10 -3 , 10 -4 См/м, а геометрические размеры заявленной ПА и прототипа выбраны идентичными и равными l=3 м, =60°, h 2 =0,5 м. Электрические и геометрические пaрaметры грунтов заявленной ПА выбраны: r2 =7, r3 =10, 2 =10 -5 См/м, 3 =10 -4 См/м, h 1 =0,2 м при 1 =10 -2 См/м; r2 = r3 =4, 2 = 3 =10 -4 См/м, h 1 =0,3 м при 1 =10 -3 , 10 -4 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.

Макроскопические параметры грунта заложения ПА r1 и 1 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 1 =10 -2 См/м до 1 =10 -3 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.

Формула изобретения

1. Подземная антенна, содержащая плоский элемент, состоящий из двух ортогональных пар плоских излучателей, размещенных компланарно в пределах полупроводящей среды с макроскопическими параметрами r1 и 1 , где r1 - относительная диэлектрическая проницаемость, 1 - 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, отличающаяся тем, что в полупроводящей среде выполнен котлован, на дно которого установлен дополнительно металлический экран, над которым на высоте , где max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн, - модуль комплексной диэлектрической проницаемости заполняющего грунта с макроскопическими параметрами r2 и 2 , в объеме котлована между плоскостями металлического экрана и плоского элемента закреплен горизонтально плоский элемент, а объем котлована между плоскостями плоского элемента и границей раздела полупроводящей среды с воздухом заполнен грунтом с макроскопическими параметрами r3 и 3 , причем отрезки проводников установлены вертикально между плоскостями металлического экрана и плоского элемента.

2. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что металлический экран выполнен сетчатым с размерами квадратных ячеек , где min - минимальная длина волны рабочего диапазона волн, , - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость грунта между плоским экраном и плоским элементом.

3. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что плоский элемент выполнен в форме окружности диаметром D ПЭ , а каждый его излучатель выполнен в виде металлической секторной пластины круга диаметром D ПЭ и с углом =45÷60°.

4. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что котлован выполнен в форме круглого цилиндра, диаметр основания которого D K выбран из условия D K =(1,2-1,5)D ПЭ .

5. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что соотношение модулей относительных комплексных диэлектрических проницаемостей полупроводящей среды и заполняющих грунтов где j - мнимая единица, - длина рабочей волны, выбраны из условия

при

при

6. Подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что длина l каждого излучателя выбрана из условия где - модуль относительной комплексной диэлектрической проницаемости заполняющего грунта с макроскопическими параметрами r3 и 3 .

РИСУНКИ