ТУННЕЛЬНАЯ НИЗКОЧАСТОТНАЯ АНТЕННА

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_r - 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.

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_r 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.

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_т, пробуренном в ППГ с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r 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_м и разделенные между собой зазором Δ металлизированы. Через отверстия в металлизации каждого из металлизированных участков туннеля по его образующей поверхности с интервалом l_мс в ППГ погружены по N металлических стержней анкерной крепи. Стержни длиной l_ст 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_в, меньшим диаметра D_т 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.

Длина l_ст металлических стержней анкерной крепи выбрана в интервале l_ст=(1,0-1,5)D_т. Зазор Δ между примыкающими кромками участков выбран в интервале Δ=(9-20)·10^-3 D_т.

Длина L каждого из плеч СВ выбрана из условия

где - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводящего грунта; λ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона волн антенны.

Длина l_м металлизированных участков туннеля выбрана в интервале l_м=(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.

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_в, осесимметричной с полостью туннеля 2, пробуренного в полупроводящем грунте (ППГ) 3 с относительной диэлектрической проницаемостью ε_r 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).

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_в поперечного сечения плеч СВ выбирают с учетом технологических особенностей туннеля 2 и возможности наиболее полного использования полости туннеля 2. Это условие достигается, если D_в составляет (0,85-0,9)D_т.

Участки 8 полости туннеля 2 длиной по l_м 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_ст равномерно в ППГ 3 погружены по N металлических стержней (МС) 10 анкерной крепи длиной l_ст и диаметром d_ст.

Длина l_ст МС 10 выбрана в пределах l_ст=(1,0-1,5)D_т, а диаметр d_ст их поперечного сечения - в интервале d_ст=(0,01-0,02)l_ст.

Протяженность l_м металлизированных участков 9 в туннеле 2 выбирают из условия l_м=(0,15-0,25)L, таким образом, чтобы на длине каждого плеча все участки 8 были равной длины l_м. Зазор Δ между металлическими кромками примыкающих друг к другу металлизированных участков 8 выбирают в интервале Δ=(9-20)·10^-3 D_т.

Для достижения указанного технического результата длина L плеча СВ должна выбираться с учетом условия (1).

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_в и D_т выбирают в пределах D_в/D_т=0,85-0,9.

Заявленная ТНЧА работает следующим образом.

При включении РПРД 4 высокочастотный (в.ч.) ток проводимости I_в протекает вдоль плеч СВ 11 с эквивалентным диаметром поперечного сечения D_вэ (см. фиг. 3). Одновременно на внутренней поверхности металлических вставок 9 индуцируется в.ч. ток проводимости I_э 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_п 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_об 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_т до D_тэ. 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.

На фиг. 4 показано распределение амплитуд в.ч. тока вдоль СВ прототипа, размещенного в туннеле, пробуренном в ППГ с аналогичными макроскопическими параметрами ε_r 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:

наибольшая длина волны рабочего диапазона волн λ_max=3·10⁴ м; L=700 м; D_т=4,5 м; D_в=4 м; l_ст=4,5 м; d_ст=3,5 см; N=8; K=8; грунт с геоэлектрическими параметрами: ε_r=10; σ=5·10^-5 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.