вертикальная подземная антенна

Формула изобретения

1. Вертикальная подземная антенна, содержащая излучатель в виде проводника высотой Н и диаметром поперечного сечения d, вертикально установленный в пробуренной в земле скважине, противовес, размещенный на дне скважины, и коаксиальный фидер, отличающаяся тем, что дополнительно коаксиально с излучателем в скважине установлен металлический цилиндр высотой h с внутренним диаметром D, основание металлического цилиндра электрически соединено с противовесом и нижним концом излучателя, в полости цилиндра установлены подключенные с интервалом р к излучателю n 1 проводников шунта, которые через отверстия в металлическом цилиндре подключены к соответствующим выходам коммутатора поддиапазонов, к входу которого подключен коаксиальный фидер.

2. Вертикальная подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что отношение высот металлического цилиндра h и излучателя Н выбрано в пределах h/H=0,3÷0,6.

3. Вертикальная подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что отношение внутреннего диаметра D металлического цилиндра к диаметру d поперечного сечения проводника излучателя выбрано в интервале D/d=6÷12.

4. Вертикальная подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что проводник излучателя заключен в диэлектрическую оболочку.

5. Вертикальная подземная антенна по п.1, отличающаяся тем, что противовес выполнен в виде радиально расходящихся от центра основания скважины проводников, длина l_пр каждого из которых выбрана в пределах l_пр=(0,8÷1,2)H.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике, в частности заявляемая вертикальная подземная антенна (ВПА) предназначена для использования в качестве низкочастотной (диапазон 10÷100 кГц) передающей антенны ненаправленного излучения в азимутальной плоскости.

Известны низкочастотные (н.ч.) подземные антенны (ПА).

Известная ВПА по патенту США №3346864 от 10.10.1967 г., МПК 7 H01Q, состоящая из вертикально симметричного вибратора, установленного в вертикальной скважине, пробуренной в земле, и подключенного с помощью фидера к выходу передатчика.

Недостатком известной ВПА является ее относительно низкий коэффициент усиления (КУ) из-за ее малых электрических размеров в н.ч. диапазоне.

Известна ПА по патенту РФ №2115980 от 20.07.1998 г., МПК 7 H01Q 1/04. ПА состоит из двух ярусов симметричных вибраторов (СВ), размещенных в скважинах, пробуренных в земле по обе стороны бункера, окруженного металлическим экраном. Каждое плечо СВ выполнено из двух соосных труб, скрепленных диэлектрической вставкой. Плечи СВ подключены к выходам делителей мощности. Выход передатчика подключен к делителю мощности между ярусами СВ.

Недостатком известной ПА является сложность ее конструкции и большие экономические затраты на ее построение. Кроме того, данная ПА имеет относительно высокую неравномерность диаграммы направленности (ДН), что снижает надежность работы радиолинии с неориентированным по азимуту корреспондентом.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявленной является известная ВПА по патенту США №3435457 от 25.03.1969 г., МПК 7 H01Q 1/00. Ближайший аналог состоит из вертикального излучателя, установленного в скважине, пробуренной в земле, противовеса в виде экрана из проводников или металлической пластины, установленного в основании скважины, и коаксиального фидера, экранная оболочка которого подключена к противовесу, а центральный проводник к основанию вертикального излучателя. Вертикальный излучатель выполнен в виде вертикально установленного в скважине проводника, верхний конец которого подключен к емкостной нагрузке в виде металлического диска. Скважина, в которой установлен излучатель, снабжена дренажной системой для снижения потерь в случае проникновения в скважину влаги.

Однако ближайший аналог имеет недостатки:

- относительно низкий КУ, обусловленный, с одной стороны, потерями в индуктивных элементах настройки, обладающих невысокой добротностью, с другой - потерями в окружающей излучатель полупроводящей среде, вызванных существованием связанного реактивного электрического поля высокой концентрации.

Целью изобретения является разработка ненаправленной ВПА, обеспечивающей повышение КУ, путем снижения концентрации нескомпенсированного реактивного связанного поля и обеспечения возможности использования элементов настройки емкостного типа.

Заявленная ВПА расширяет арсенал средств данного назначения.

Поставленная цель достигается тем, что в известной ВПА, содержащей излучатель в виде проводника высотой H с диаметром поперечного сечения d, вертикально установленного в пробуренной в земле скважине, противовес, размещенный на дне скважины, и коаксиальный фидер, дополнительно коаксиально с излучателем в скважине установлен металлический цилиндр (МЦ) высотой h и с внутренним диаметром D. Основание МЦ электрически соединено с противовесом и нижним концом излучателя.

Новым также является то, что в полости цилиндра установлены n 1 проводников шунта. Каждый проводник шунта подключен одним концом к излучателю, с интервалом р друг от друга, а другим через отверстие в МЦ к соответствующему выходу коммутатора поддиапазонов (КПДД). К входу КПДД подключен коаксиальный фидер (КФ).

Соотношение высот МЦ h и излучателя Н выбрано в пределах h/H=0,3÷0,6. Соотношение диаметров МЦ D и излучателя d выбрано в интервале D/d=6÷12. Противовес выполнен в виде радиально расходящихся от центра основания скважины проводников, длина l _пр каждого из которых выбрана в пределах (0,8÷1,2)Н.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в ВПА достигается преобразование связанного реактивного поля электрического типа к магнитному и, следовательно, обеспечивается возможность за счет настройки антенны высокодобротными емкостными элементами, снизить тепловые потери, т.е. повысить КУ антенны в целом.

Проведенный анализ уровня техники показал, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественным признакам заявленной ВПА, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа существенными признаками заявленной ВПА, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленный объект соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленная ВПА поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общий вид антенны;

на фиг.2 - вид антенны сверху;

на фиг.3 - эквивалентные схемы, поясняющие принцип работы ВПА.

Заявлена ВПА, показанная на фиг.1, состоит из скважины 1, пробуренной в земле. Предпочтительным является бурение скважины 1 на возвышенности 2 от ее вершины к основанию. Скважина 1 выполнена с отличающимися по высоте диаметрами. Диаметр нижней части скважины 1 от основания до высоты h пробурен диаметром D_ц. В верхней части от высоты h до высоты Н - диаметром d_в. В нижней части скважины 1 установлен МЦ 3 с внешним диаметром D_ц и внутренним - D. Коаксиально с МЦ 3 в его полость установлен излучатель 4 в виде вертикального проводника высотой Н и с диаметром поперечного сечения d. Для снижения потерь, обусловленных затуханием амплитуд тока вдоль излучателя, часть излучателя 4, выступающая за пределы МЦ 3 может быть заключена в диэлектрическую оболочку 5, например, из фторопласта.

Основание МЦ 3 и основание излучателя 3 электрически (кондуктивно) соединены с противовесом 6. Противовес, в частности, может быть выполнен в виде радиально расходящихся от центра дна скважин (точка «о») проводников длиной l_пр=(0,8÷1,2) Н (см. фиг.2). Дополнительно концы проводников противовеса подключены к металлическим стержням 7 длиной l_ст, погруженным в грунт. В свою очередь концы проводников противовеса 6 могут быть дополнительно электрически соединены друг с другом кольцевым проводником 8.

В пределах полости МЦ 3 установлены проводники шунта 9. В качестве примера на фиг.1 показано два проводника шунта.

Первый проводник шунта 9 подключен к излучателю 4 в точке «а», соответствующей высоте h МЦ 3. Второй проводник шунта 9 подключен к излучателю в точке «б», отстоящей вниз от точки «а» на расстояние р, составляющее (0,2÷0,3) h. Вторые концы проводников шунта 9 через отверстия 10 в МЦ 3 подключены к соответствующим выходам КПДД 11, металлический корпус которого электрически соединен с МЦ 3 (точки «с» на фиг.1). К входу КПДД 11 подключен коаксиальный фидер (КФ) 12.

КПДД 11 предназначен для изменения точки подключения проводника шунта 9 к излучателю 4 при переходе работы ВПА от одного к другому поддиапазону рабочих частот. КПДД 11 представляет собой переключатель (фиг.1а), в котором центральный проводник КФ 12 подключен к неподвижному контакту переключателя (точка «к» на фиг.1а), а электронная оболочка к металлическому корпусу переключателя.

Для исключения попадания влаги в полость МЦ 3 верхний и нижний его торцы могут быть герметизированы диэлектрическим влагонепроницаемым материалом (на фиг.1 не показано).

Для снижения тепловых потерь в металле конструкции ВПА на внутреннюю поверхность МЦ 3 и на поверхность излучателя 4 до высоты h может быть нанесено покрытие из высокопроводящего металла (медь, серебро и т.п.).

Выступающая за пределы МЦ 3 часть излучателя может быть заключена в диэлектрическую оболочку 5, что снизит потери в окружающей излучатель среде.

Заявленная ВПА работает следующим образом: в н.ч. диапазоне реальные ПА относятся к классу малогабаритных антенн (МГА), у которых наибольший линейный размер много меньше длины рабочей волны . В данном случае Н<< .

МГА характеризуются высоким уровнем связанного нескомпенсированного реактивного поля. Причем для МГА электрического типа (вибратор, Т-образная и т.п.) нескомпенсированное поле и реактивная составляющая входного сопротивления Х _А имеют емкостной характер, т.е. для согласования и настройки такой МГА необходимо использование индуктивных элементов настройки (ЭН). Аналогично для МГА магнитного типа (рамка, петлевой вибратор и т.п.) Х_А>0 и для ее настройки и согласования могут быть использованы емкостные ЭН. Таким образом, при использовании МГА необходимо, чтобы реактивная компонента Х _А входного сопротивления имела индуктивный характер, что облегчит реализацию практической конструкции с более низкими потерями в органах настройки, в окружающей полупроводящей среде и в металле элементов конструкции, т.е. повысит КУ МГА в целом.

Данная задача решена в заявленной ВПА. На фиг.3а показана упрощенная схема конструкции ВПА, а на фиг.3б эквивалентная схема, в которой общее комплексное входное сопротивление антенны (в сечении к-к ) Z_A=R_A+Х _А, где R_А- активная составляющая, включающая сопротивление излучения R и сопротивление потерь R_П, т.е. R_A=R +R_П. Параллельно Z _A к выходу ВПА подключен короткозамкнутый (к.з.) шунт с коммутируемой длиной l_ш. Шунт образован отрезком коаксиальной к.з. линий, состоящей из внутренней поверхности МЦ 3 и части излучателя 4, находящегося в пределах полости МЦ 3 (фиг.3а). Причем изменением точки подключения проводника шунта 9 оказывается возможным изменять его длину l_ш , что необходимо для настройки антенны в различных частотных поддиапазонах.

В этом случае условие согласования ВПА может быть достигнуто использованием индуктивности связи L _св, образованной шунтом, и емкости конденсатора настройки С_Н (фиг.3в).

При дискретном изменении длины шунта для обеспечения плавной перестройки ВПА может быть включен дополнительный конденсатор связи С_св параллельно (фиг.3г) или последовательно с шунтом (фиг.3д).

Использование в качестве элемента согласования индуктивности, образованной коаксиальным шунтом, обуславливает индуктивный характер реактивной составляющей входного сопротивления. Причем при таком исполнении индуктивный элемент настройки обладает существенно более высокой добротностью по сравнению с традиционно используемыми индуктивными катушками за счет снижения тепловых потерь в металле его конструкции.

Порядок расчета входного сопротивления Z_A шунтовых вибраторов известен и подробно описан, например, в работе Кузнецова В.Д. Шунтовые вибраторы. //Радиотехника, т. 10, №10, 1955 г.

где N² - коэффициент трансформации комплексного сопротивления Z_B эквивалентного вибратора высотой Н; _ш - волновое сопротивление коаксиального шунта длиной l_ш.

Порядок вычисления указанных параметров при известных конструктивных размерах шунтового вибратора известен и описан в указанной работе Кузнецова В.Д., а также в книге Антенны. Под ред. Муравьева Ю.К., ВАС, 1963 г., с.263-271.

Для проверки возможности достижения сформулированного технического результата проведены сравнительные измерения эффективности заявленной ВПА и прототипа, методом масштабного моделирования.

Макет заявленной ВПА был выполнен со следующими соотношениями геометрических размеров ее конструкции: электрическая высота изменялась в пределах: H/ =0,03÷0,05; h/H=0,4; D/d=8; число проводников противовеса - 10, каждый длиной l_ш=Н. Излучатель 4 и металлический цилиндр 3 выполнены из бронзы. В качестве элементов настройки использован конденсатор С_Н переменной емкости. Проводник шунта 9 подключался к излучателю на высоте h, т.е. l_ш=h.

Макет ВПА прототипа имел следующие размеры конструкции: электрическая высота измерялась в пределах Н/ =0,03÷0,05; диаметр пластины емкостной нагрузки составлял 0,5 Н; в качестве элементов настройки использована катушка индуктивности; противовес выполнен аналогично, как и у заявленной ВПА.

Оба макета устанавливались в скважине, пробуренной от вершины возвышенности. Высота возвышенности над плоской поверхностью земли составляла 1,2 Н.

Последовательно заявленная ВПА и прототип подключались к выходу передатчика. Отдаваемая на вход ВПА мощность контролировалась и в обоих случаях была равной. На удалении r за пределами ближней зоны испытываемых антенн (r 15 ) после возбуждения антенн измерялся уровень создаваемого электромагнитного поля заявленной ВПА E₃ и прототипом E_пр. Относительный выигрыш по КУ G сравниваемых антенн вычислялся по формуле:

Результаты измерений показали, что в диапазоне H/ =0,03÷0,05; выигрыш по G заявленной антенны составил от 3 дБ до 4,5 дБ.

Полученные результаты сравнительных измерений подтвердили возможность достижения указанного технического результата при использовании заявленной ВПА, т.е. возможность повышения ее КУ.