Разработка путей создания подземных антенных систем для ДКМВ радиосвязи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Пестовский Игорь Николаевич

• Пестовский Игорь Николаевич
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Пестовский Игорь Николаевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДЗЕМНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ

1.1 Анализ основных требований к подземным антенным системам

1.2 Анализ основных характеристик существующих решений и принципов построения подземных антенных систем ДКМВ диапазона

1.3 Анализ основных методов и существующих программных средств моделирования и проектирования подземных антенных систем

1.4 Выводы по разделу

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА АНТЕНН, РАЗМЕЩЕННЫХ В ДИССИПАТИВНОЙ СРЕДЕ

2.1 Разработка методики электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде, методом моментов

2.2 Апробация разработанной методики электродинамического анализа антенн, по результатам решения тестовых задач

2.3 Исследование возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения

2.4 Выводы по разделу

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И ПОДЗЕМНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

3.1 Исследование и разработка технических решений базовых излучателей подземных антенных систем

3.2 Исследование и разработка технических решений подземных антенных систем

3.3 Разработка методики проектирования базовых излучателей подземных антенных систем

3.4 Разработка методики проектирования подземных антенных систем

3.5 Выводы по разделу,

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ ПОДЗЕМНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ

4.1 Практическая реализация составных частей подземных антенных систем в рамках внедрения результатов диссертационной работы

4.2 Экспериментальная проверка влияния электрического поля смещения на макроскопические параметры локального объема диссипативной среды

4.3 Выводы по разделу,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А,

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка путей создания подземных антенных систем для ДКМВ радиосвязи»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время, в отличие от предшествующих десятилетий, важная роль радиосвязи диапазона декаметровых волн (ДКМВ) общепризнана и не подвергается сомнению.

Известные особенности ДКМВ радиосвязи, такие как высокая гибкость и мобильность, относительно слабая зависимость от инфраструктуры, возможность организации связи в кратчайшие сроки на самые различные расстояния, в том числе из неподготовленных районов, при стихийных бедствиях, природных и техногенных катастрофах, террористических актах и других чрезвычайных ситуациях - определили ее место и роль в составе систем связи, используемых в мирное время, в военное время и при чрезвычайных ситуациях.

Состоявшийся в последние годы переход в ДКМВ радиосвязи на передачу информации в дискретной форме в сочетании с использованием помехозащищен-ных сигнально-кодовых конструкций, а также внедрение автоматизированной оперативной адаптации радиолиний к изменению параметров среды распространения на основе использования современных программно управляемых технических средств позволили существенно повысить надежность, устойчивость и качество связи на ДКМВ.

Особое место в составе систем и сетей ДКМВ радиосвязи занимают защищенные объекты (радиостанции, радиоцентры), призванные обеспечить работу в условиях экстремальных природных, техногенных или боевых воздействий, при которых другие виды и средства связи будут выведены из строя. В составе таких объектов, как правило, используются подземные антенны, к которым, как и к объектам в целом, предъявляются требования к параметрам назначения, стойкости и живучести.

Если 20-25 лет назад основное назначение подобных объектов связывалось исключительно с возможностью глобальных (в том числе ядерных) вооруженных конфликтов, то в последние годы в качестве наиболее реальных угроз инфраструктуре все чаще приходится рассматривать угрозу крупномасштабных терро-

ристических актов. Преимущества защищенных объектов радиосвязи и в этом случае очевидны. Во-первых, скрытное размещение не позволяет террористам или диверсантам обнаружить и идентифицировать объект, поэтому он не может стать объектом целенаправленного удара. Во-вторых, обеспечение защищенности, высокой стойкости и живучести объекта позволяет сохранить его работоспособность даже при значительном масштабе террористических воздействий на район его размещения и катастрофическом характере последствий (взрывы, пожары, разрушения, заражение местности и т.п.). В результате проведение мероприятий по ликвидации последствий террористического акта будет обеспечено соответствующими видами радиосвязи даже при катастрофическом разрушении наземной инфраструктуры.

Сохраняющаяся, а в ряде случаев и возрастающая угроза природных и техногенных катастроф, террористических актов и военных конфликтов вызывает необходимость поддержания постоянной готовности существующих защищенных объектов и подземных антенн в их составе, а также создания новых подобных объектов, причем особенности конструкции и размещения подземных антенн приводят к тому, что срок их службы относительно невелик, а возможности ремонта и технического обслуживания крайне ограничены.

В свою очередь, создание новых защищенных объектов и модернизация действующих предполагает периодическое проектирование и строительство новых подземных антенн, причем в условиях постоянно возрастающих требований к параметрам назначения, стойкости и живучести.

Таким образом, в настоящее время существует актуальная научная проблема - проблема разработки технических решений и методов проектирования в целях создания подземных антенн высокой эффективности, стойкости и живучести.

Степень разработанности темы исследования характеризуется следующими основными достижениями.

Концептуальные вопросы, связанные с построением, функционированием и подходами к анализу подземных антенн, были рассмотрены достаточно давно в

монографиях Г. А. Лаврова, А.С. Князева [62] и Р. Кинга, Г. Смита [49], успевших стать классическими.

В последнее время публикации по подземным антеннам в открытой печати, как отечественной, так и зарубежной, встречаются относительно редко, что связано, по-видимому, с имеющимися ограничениями на открытое распространение соответствующей информации. Тем не менее, проведенный обзор литературы выявил ряд отечественных и зарубежных источников, описывающих конкретные технические решения подземных антенных систем, в том числе - защищенные патентами, а также основные подходы при создании и анализе подобных систем [4, 5, 9, 12, 17, 21, 29, 30, 45, 50, 51, 52, 55, 56, 59, 63, 65, 75, 78, 81, 82, 83, 84, 90, 91, 92, 95-100, 109, 116, 118]. Подробный анализ указанных решений проведен в п.1.2.

Что касается основных методов и существующих программных средств моделирования и проектирования подземных антенных систем, то в настоящее время, как показал проведенный обзор литературы, имеется достаточно обширная номенклатура универсальных программных комплексов, способных, в принципе, обеспечить электродинамическое моделирование подобных структур, содержащих металлические и полупроводящие тела. В частности, стоит отметить отечественные программные комплексы SAMANT [79] и SCATER [80] и зарубежные Feko [2], CST Studio [34], AWR [86].

Расчетные методы, используемые в упомянутых выше и в ряде других программных продуктов, можно условно разделить на три большие группы: методы, использующие точные модели, методы, использующие приближенные модели, и комбинированные методы. Приближенные методы в большинстве случаев основаны на квазиоптических моделях [3, 94, 110]. Их несомненным достоинством является сравнительно малая вычислительная сложность.

Методы, использующие точные модели, обеспечивают существенно более точное решение, но при этом весьма требовательны к вычислительным ресурсам. В ряду точных методов наиболее распространены методы, основанные на использовании интегральных уравнений. В их числе следует отметить методы, реализу-

ющие тонкопроволочное приближение на основе интегральных уравнениях Фред-гольма первого рода [32, 57, 105], методы интегральных уравнений в тонкопроволочном приближении, основанные на уравнениях Фредгольма второго рода [14, 15] и методы, обеспечивающие решение задачи относительно поверхностного тока - метод обобщенных эквивалентных цепей [42, 43] и методы сингулярных интегральных уравнений [32, 70-72].

Комбинированные методы [16, 18, 19, 22] представляют собой комбинации точных и приближенных методов, причем оптимальный выбор локальных областей применения того или иного метода позволяет существенно сократить ресур-соемкость вычислений при сохранении их приемлемой точности.

Подробный анализ программных средств и методов электродинамического анализа проведен в п.1.3.

В целом проведенный обзор показал необходимость разработки новых эффективных технических решений подземных антенн и целесообразность создания относительно простой инженерной методики электродинамического анализа таких антенн, не требующей применения дорогостоящих универсальных программных комплексов, и обеспечивающей, при небольшой ресурсоемкости, приемлемую точность вычислений.

Цель работы - разработка научно обоснованных теоретических положений и технических решений по построению подземных антенных систем для ДКМВ радиосвязи.

Для достижения поставленной цели в настоящей диссертационной работе решены следующие задачи исследований:

- анализ основных требований к подземным антенным системам;

- анализ основных характеристик существующих решений и принципов построения подземных антенных систем диапазона ДКМВ;

- анализ основных методов и существующих программных средств моделирования и проектирования подземных антенных систем;

- разработка методики электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде;

- апробация разработанной методики электродинамического анализа антенн по результатам решения тестовых задач;

- исследование возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения;

- исследование и разработка технических решений базовых излучателей подземных антенных систем;

- исследование и разработка технических решений подземных антенных систем;

- разработка методики проектирования базовых излучателей подземных антенных систем;

- разработка методики проектирования подземных антенных систем;

- практическая реализация составных частей подземных антенных систем в рамках внедрения результатов диссертационной работы;

- экспериментальная проверка влияния электрического поля смещения на макроскопические параметры локального объема диссипативной среды.

Объект исследований - подземные антенные системы диапазона ДКМВ.

Предмет исследований - методы проектирования и технические решения по построению подземных антенных систем для ДКМВ радиосвязи.

Диссертационная работа состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы и приложений.

Раздел 1 посвящен анализу принципов построения и основных характеристик подземных антенных систем.

Выполнен анализ основных требований к подземным антенным системам. Уточнены условия и основания применения подземных антенных систем в составе технических средств радиосвязи диапазона ДКМВ, основным из которых является возможность возникновения экстремальных внешних воздействий на объект. Уточнена минимальная номенклатура требований к антеннам, показано, что они носят противоречивый характер. Установлено, что наиболее перспективным является вариант построения излучающей системы в неразборном монолитном ди-

электрическом укрытии («изолированная антенна»). Обоснована особая важность адекватности математического моделирования, точности и достоверности полученных результатов применительно к задачам разработки подземных антенн. Обоснованы примерный состав защищенной антенной системы, а также перспективность использования в составе излучающей системы бесшунтовых вибраторных излучателей, в том числе - турникетных.

Выполнен анализ основных характеристик существующих решений и принципов построения подземных антенных систем ДКМВ диапазона. Проанализированы опубликованные в открытой печати статьи и патенты, отечественных и зарубежных авторов, описывающих конкретные технические решения подземных антенных систем и их составных частей. Проанализированы приведенные в источниках сведения об основных характеристиках рассмотренных антенн.

Выполнен анализ основных методов и существующих программных средств моделирования и проектирования подземных антенных систем. Рассмотрены особенности и области применения точных, приближенных и комбинированных методов электродинамического анализа. Кратко рассмотрены и охарактеризованы отечественные и зарубежные программные комплексы для решения электродинамических задач. Обоснована необходимость разработки простого и достаточно точного метода электродинамического анализа подземных антенн, не связанного с использованием дорогостоящих универсальных и специализированных программных комплексов.

Раздел 2 посвящен разработке методики электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде.

Разработана методика электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде, методом моментов. Предложена модель и методика расчета электрических характеристик проволочных антенн, размещенных в диссипа-тивных средах, основанная на известном методе моментов и принципе эквивалентности. Это позволило свести задачу отыскания электромагнитного поля антенны, погруженной в диссипативную среду к задаче отыскания поля в свободном пространстве по найденным распределениям эквивалентных токов, учитывающим

условия на границах раздела диэлектрических сред. Обоснован подход на основе декомпозиции структуры на ансамбль сегментов, представляющих собой частично перекрывающиеся электрически короткие симметричные вибраторы с экспоненциальным распределением тока вдоль плеч. Выведена система матричных уравнений, позволяющая определить парциальные токи в сегментах. Получены аналитические выражения для расчета элементов матриц взаимных импедансов и адмитансов в структуре, содержащей произвольно ориентированные друг относительно друга сегменты.

Выполнена апробация разработанной методики электродинамического анализа антенн по результатам решения тестовых задач. Проведено сравнение результатов расчета электрических характеристик по разработанной методике и известным программным комплексом Беко 7.0 при различных геометрических и электрофизических характеристиках тестовой модели. Результаты с достаточной степенью точности совпадают для обоих методов и хорошо согласуются с данными об электрических характеристиках подземных антенн, опубликованными в печати.

Исследованы возможности управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения. Показано, что приложение постоянного внешнего электрического поля может привести к локализации свободного пространственного заряда вдали от антенны, что, в свою очередь, приводит к локальному снижению проводимости среды (в окрестности антенны) и, соответственно, к снижению потерь.

В разделе 3 приведены результаты разработки и реализации методик проектирования базовых излучателей и подземных антенных систем на их основе.

Выполнены исследование и разработка технических решений базовых излучателей подземных антенных систем. Рассмотрены основные варианты реализации подземных симметричных вибраторов. Проанализированы возможности формирования на их основе ярусных и турникетных структур. Предложено техническое решение базового излучателя подземной турникетной антенны в виде двухэтажной вибраторной структуры с минимизированным уровнем потерь. Получены предварительные оценки для основных электрических размеров излучате-

ля. Проведенные расчеты электрических характеристик излучателя показали вполне приемлемые значения импедансных и пространственных характеристик.

Выполнено исследование и разработка технических решений подземных антенных систем. Рассмотрены варианты и возможности построения ФАР, состоящей из совокупности предложенных базовых излучателей. Обоснованы конфигурации линейной и двумерной (билинейной) решеток. Проведенные расчеты характеристик решеток показали возможность формирования требуемых диаграмм направленности, оперативного управления ими (для двумерной решетки) и реализации относительно высокого коэффициента усиления.

Разработана методика проектирования базовых излучателей подземных антенных систем, включающая: анализ тактико-технических требований; выбор материала покрытия; определение электродинамических характеристик материала покрытия; выбор длины плеча симметричных вибраторов; принятие решения о необходимости кусочной изоляции проводников и определение их характеристик; выбор количества вибраторов в пакете и количества пакетов, формирующих каждый ярус; определение глубины залегания и расстояния между этажами; уточнение геометрических параметров излучателя по результатам расчетов; анализ необходимости применения средств управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды в месте размещения излучателя посредством наложения постоянного электрического поля смещения. Сформулированы критерии и получены необходимые расчетные соотношения для каждого этапа.

Разработана методика проектирования подземных антенных систем, включающая: выбор конфигурации базового излучателя; анализ доступных площадей для размещения антенной системы; анализ энергетических показателей; выбор количества базовых излучателей и их взаимного расположения; уточнение геометрических параметров излучателя по результатам расчетов; анализ направлений обслуживания, определение необходимых амплитудно-фазовых распределений; принятие решения об адаптивности антенной системы. Обосновано содержание каждого этапа и соответствующие критерии. Рассмотрены основные варианты ре-

ализации диаграммообразующей системы, обеспечивающей требуемые амплитудно-фазовые распределения.

Раздел 4 посвящен вопросам практической реализации и экспериментальных исследований составных частей подземных антенных систем.

Рассмотрены вопросы практической реализации составных частей подземных антенных систем в рамках внедрения результатов диссертационной работы.

Описана конструкция и основные геометрические размеры подземной антенны, состоящей из двух ярусов симметричных вибраторов. Рассмотрена структура тракта возбуждения антенны, назначение и типы ее составных частей (возбудителя, усилителей мощности, делителей мощности, аттенюаторов, фазовращателей). Подробно рассмотрен порядок работы подземной антенны. Показано, что антенна должна излучать поле вращающейся поляризации и формировать диаграмму направленности в вертикальной плоскости с максимумом, ориентированным в зенит, а в азимутальной плоскости - близкую к круговой. На основе оценки характера распределения тока показана более высокая эффективность рассмотренного решения по сравнению с ранее известным аналогом. Проведена экспериментальная проверка опытного образца антенны, которая подтвердила вполне приемлемые значения характеристик практически во всем диапазоне ДКМВ.

Рассмотрена возможность построения антенной системы в виде подземной передающей модульной активной фазированной антенной решетки. Предложена структура ФАР, содержащая, по сравнению с известными аналогами, блок автоматизированного управления параметрами, блок из нескольких возбудителей и коммутатор информационных сигналов. Разработан алгоритм автоматизированного управления параметрами ФАР. Показано, что в результате обеспечивается возможность формирования одного или нескольких радиоканалов с требуемыми параметрами, необходимыми для достижения заданного энергетического потенциала, а также маневра уровнем энергетического потенциала радиолинии в целом при изменении условий распространения радиоволн. Показано, что предложенное техническое решение обеспечивает возможность повышения эффективности (увеличения коэффициента усиления) антенной решетки.

Выполнена экспериментальная проверка влияния электрического поля смещения на макроскопические параметры локального объема диссипативной среды. Достоверность теоретических предпосылок проверена в ходе экспериментальных исследований, проведенных косвенным методом, на специально созданной установке - радиолинии связи, образованной радиоприемником и радиопередатчиком с антеннами, погруженными в землю, причем в местах заложения обеих антенн обеспечивалась возможность наложения постоянного электрического поля смещения. Результаты эксперимента показали, что наложение поля смещения привело к повышению уровня принимаемого сигнала более, чем в 3 раза, что подтвердило возможность использования данного решения для повышения эффективности подземных антенн.

В Заключении сформулированы основные научные и практические результаты диссертационной работы.

В Приложении А представлены результаты расчета диаграмм направленности подземных антенных систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе известного метода моментов разработана математическая модель и методика электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде.

2. Получены новые теоретические и экспериментальные результаты исследования возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения.

3. Разработана методика проектирования базовых излучателей подземных антенных систем, включающая анализ тактико-технических требований, выбор типа излучателя из имеющейся номенклатуры, уточнение требований к среде размещения, расчет электрических параметров излучателя на основе разработанной методики электродинамического анализа, уточнение геометрических параметров излучателя по результатам расчетов и обоснование применения (при необходимости) средств управления макроскопическими параметрами локального

объема диссипативной среды в месте размещения излучателя посредством наложения постоянного электрического поля смещения.

4. Разработана методика проектирования подземных антенных систем, включающая анализ тактико-технических требований, выбор типов базовых излучателей, расчет электрических параметров антенной системы на основе разработанной методики электродинамического анализа антенн и уточнение геометрических параметров проектируемой антенной системы по результатам расчетов.

5. Получены новые результаты исследования характеристик базовых излучателей и подземных антенных систем на их основе.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:

Разработанные автором математическая модель и методика электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде, расширяет класс задач, решаемых на основе метода моментов. При этом в распоряжении разработчиков антенной техники оказывается доступный и достаточно точный расчетный инструмент, который применительно к упомянутому конкретному классу задач вполне конкурентоспособен по отношению к дорогостоящим универсальным и специализированным программным комплексам.

Полученные автором новые теоретические и экспериментальные результаты исследования возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения расширяют знания о физических закономерностях в части управления электрофизическими характеристиками сред и открывают возможности создания подземных антенн с существенно улучшенными параметрами.

Разработанные методики проектирования базовых излучателей и подземных антенных систем на их основе, а также полученные автором новые результаты исследования характеристик базовых излучателей и подземных антенных систем на их основе могут быть использованы при решении практических задач создания подземных антенных систем различного назначения, включая антенны систем

подземной радиосвязи, а также антенн в диэлектрических укрытиях из различных материалов и метаматериалов.

О практической значимости работы дополнительно свидетельствует наличие разработанных с участием автора новых технических решений подземных антенн, защищенных тремя патентами.

Работа соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии:

- п.1 - решение внешних и внутренних дифракционных задач электродинамики для анализа и синтеза высокоэффективных антенн и СВЧ-устройств, определения их предельно-достижимых характеристик, возможных путей построения и т. д.;

- п.2 - исследование характеристик антенн и СВЧ устройств для их оптимизации и модернизации, что позволяет осваивать новые частотные диапазоны, обеспечивать электромагнитную совместимость, создавать высокоэффективную технологию и т. д.;

- п.3 - исследование и разработка новых антенных систем, активных и пассивных устройств СВЧ, в том числе управляющих, фазирующих, экранирующих и других, с существенно улучшенными параметрами.

Методы исследований, использованные в работе: методы классической электродинамики, теории антенн, теории длинных линий, физического эксперимента, численные методы.

Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечиваются адекватностью использованных методов и построенных на их основе расчетных моделей. Достоверность результатов работы подтверждается результатами сопоставления решений, полученных разными методами, расчетных и экспериментальных данных, а также результатами внедрения разработанных методик и технических решений при создании подземных антенн.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертационной работы, обладающие научной новизной и выносимые на защиту, получены автором лично. В научных трудах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат разработка математических

моделей и методик, а также результаты исследования характеристик в рамках разработки новых технических решений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель и методика электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде, на основе метода моментов.

2. Новые теоретические и экспериментальные результаты исследования возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема дисси-пативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения.

3. Методики проектирования базовых излучателей и подземных антенных систем на их основе.

4. Новые результаты исследования характеристик базовых излучателей и подземных антенных систем на их основе.

Апробация результатов работы и публикации

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Пестовский Игорь Николаевич, 2016 год

// ж ч

" $ /и а \

/ - а /7 /ч 1 ■Л \

ч 1

&

0,0

-8,0 -6,0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0

I, м

Рисунок 2.10 - Действительная часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 15 м и а = 0.01

0,0

1 £ - 6 £-10-----

■Л ч\ £ = 20 рг р м

Г V

Ул \\\ \ л /у /п

"V /

1

-0,5 -1,0 -1,5

<

| -2,0 -2,5 -3,0 -3,5 -4.0

-8,0 -6,0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0

I, м

Рисунок 2.11 - Мнимая часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 15 м и а = 0.01

Далее, в целях верификации полученных результатов, будут представлены графики распределения тока по вибратору (тестовой модели), выполненные в программном комплексе Беко 7.0.

На рисунках 2.12-2.15 приведены зависимости распределения тока от координаты на вибраторе при различной диэлектрической проницаемости среды и фиксированных электрической проводимости и длине вибратора (а = 0.001 и 0.01 при длине вибратора Ь = 2 м).

На рисунках 2.16-2.19 приведена зависимость распределения тока от координаты на полуволновом вибраторе при различной диэлектрической проницаемости среды и фиксированных электрической проводимости и длине вибратора ( а = = 0.001 и 0.01 при длине вибратора Ь = 15 (А/4) м).

35,0

30,0

25,0

20,0

15,0

10,0

5,0

0,0

1 £ " 6 ч £ - 10----- \ £ - 15 .............

£ = 20

- ' "

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2

0,0

0,2 0,4 0,6 0,8

1,0

I, м

Рисунок 2.12 - Действительная часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 2 м и а = 0.001

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

ч £ = 6 £ = 10 £ = 15

/ / / ------- -

/.' / /'/ у /■'" / // г / /У/ ' у/ А 4 *Л ч 4 ч \\ \ 4 \ -Л £ - Аи \

// , // ' /// /у / / /У ' / / / / / \\ ч \Ч Ч 4 чЧ4 \ 4 'О1 \ 4 А,

/ ........¿/у /у/ / // Г / \ 4 \ 4

;' / 1:', / ¿/ / \ ^ \ \ \ \\\ V

/.; V / \\

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2

0,0 I, м

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

Рисунок 2.13 - Мнимая часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 2 м и а = 0.001

55,0

50,0

45,0

40,0

35,0

30,0

—> 25,0

20,0

15,0

10,0

5,0

I £ - 6 £ - 10-----

£ " 15 £ = 20-------

ч

/ / \ 4 \

/

\ Ч\

// гу' у' у' у' ч '• : \ \ :'•, \ \ ; \ \ \

/ / у' / \ \ \ \ \ Л : Ч, Ч Ч, \ 4 : Ч

у' / Ч : Ч, I

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4

-0,2 0,0 0,2 I, м

0,4 0,6 0,8 1,0

Рисунок 2.14 - Действительная часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 2 м и а = 0.01

800,0 700,0 600,0 <; 500,0 ^ 400,0 300,0 200,0 100,0

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

I, м

Рисунок 2.15 - Мнимая часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных L = 2 м и а = 0.01

350,0

1 £ " 6 £ - 10----- £ " 15

-V А /у / /У ■у V Чч .......\........ £ = 20

А / \ \

1 1

300,0 250,0 <; 200,0 ^ 150,0 100,0 50,0

£ - 6 £ - 10----- £ " 15

£ = 2 о-------

----

, ' у* ------------ -—N \

у / У ' у У \ \ Ч \ N. N ч 4 X. 4

/ ' '' / v'" у' ч - \ ч\ \ ч ч \ 'Ч

J_I_I_I_I_L

0,0

-8,0 -6,0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0

I, м

Рисунок 2.16 - Действительная часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 15 м и а = 0.001

о,о

-0,5 -1,0 -1,5 < -2,0 ^ -2,5 -3,0 -3,5 -4,0 -4,5

-8,0 -6,0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0

I, м

Рисунок 2.17 - Мнимая часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 15 м и а = 0.001

700,0

£ - 6 £-10-----

£ £ II II IV) О О! - / щ

\ '!ч 7

V л V"' \ \ Л\...................... !'•' / !:' /

^ \1 л V \\ /.■'// /;, / Л' / ......щ....

\4 "Л \ \ \\ // ' ! /•' ' / // ' / //,'1

\ 4 \ 4 'Ч„ \ 4 4 \ 4 \ у' ■■■ "ч / / . / /

\ " ..... 4 ч

1

£ - 6 £ - 10----- £ " 15

£ = 2 0-------

600,0 500,0 <; 400,0 ^ 300,0 200,0 100,0 0,0

-8,0 -6,0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0

I, м

Рисунок 2.18 - Действительная часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 15 м и а = 0.01

о,о

-0,5 -1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5

-4,0

1 1 £ - 6 £-10-----

£ = 20----- -

\ & и

V. % V % а 3 щ м

% \л ы /у /:7 ///

\

I

-8,0 -6,0 -4,0 -2,0

0,0 I, м

2,0 4,0 6,0 8,0

Рисунок 2.19 - Мнимая часть зависимости распределения тока от координаты при разных значениях е и фиксированных Ь = 15 м и а = 0.01

Представленные выше результаты расчетов токовых функций при помощи двух принципиально различных подходов находятся в хорошем согласии. В частности, численное расхождение полученных значений не превышает 10% (рисунки 2.4 - 2.19). Кроме того, полученные результаты хорошо согласуются с опубликованными данными об электрических характеристиках подземных антенн [62].

Знание функции распределения тока позволяет получить остальные электрические характеристики антенн [20]. Таким образом, хорошее совпадение функций распределения тока позволяет сделать вывод об идентичности прочих расчетных характеристик.

Результаты расчетов позволяют сделать вывод об адекватности предложенной методики расчета электрических характеристик подземных антенн. Применение описанной методике для расчета электрических характеристик возможно как в случае относительно простых антенн, так и более сложных, состоящих из совокупности произвольно ориентированных изолированных проводников, помещен-

ных в полупроводящую среду с произвольными значениями о и е. что в свою очередь, повышает эффективность проектирования подземных антенн.

2.3 Исследование возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения

Проанализируем возможности изменения макроскопических параметров среды заложения с целью улучшения характеристик подземных антенн.

Таким образом, рассматриваемая нами область знания сводится к пересечению электродинамики и теории распространения электромагнитных волн в полупроводящих (диссипативных) средах, т.е. в средах, относящихся к капиллярно-пористым коллоидным телам [64].

Возможность изменения макроскопических параметров среды косвенно подтверждается обнаруженными явлениями, имеющими с ним определенную степень аналогии и описанными в работах других авторов [40, 101].

Так в работе А. Ф. Иоффе [40] рассмотрено явление неравномерного перераспределения объемных зарядов внутри кристаллов с искаженной структурой при длительном воздействии внешней разности потенциалов и образование локальных объемных зарядов обоих знаков после длительного прохождения тока, в том числе и обратного, через кристалл. Причем спадание поляризационного тока до нуля еще не всегда означает исчезновение остаточной поляризации у электродов, а часто только их взаимную компенсацию. Данное явление указывает на сложную пространственную дифференциацию электрофизических свойств кристаллов при воздействии на него электрических потенциалов высокого уровня.

Известен также «Эффект Керра» [101], заключающийся в изменении показателя преломления пропорционально квадрату напряженности приложенного электрического поля. Последнее указывает на возможность приобретения некоторыми веществами (стекло, жидкости) анизотропных свойств при приложении к ним электрического поля.

Рассмотренные источники имеют лишь косвенное отношение к заявленному открытию. Однако они свидетельствуют о возможности изменения электрофизических свойств различных сред при воздействии электрического поля.

Рассмотрим возможность изменения макроскопических параметров среды с точки зрения теории.

Известно, что макроскопические параметры любой материальной изотропной среды характеризуются абсолютной комплексной диэлектрической проницав'

емостью а, определяемой отношением комплексной амплитуды электрической плотности смещения и комплексной амплитуды напряженности электрического поля:

ва = еа - а/с (2.18)

где еа - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; а - удельная электрическая проводимость среды; с - круговая частота.

Использование понятия «макроскопические параметры» в данном контексте основано на его общепринятом толковании, известном из теории распространения радиоволн в поглощающих (диссипативных) средах и приведенное, например, в работе Р. Кинга [49]. Макроскопические параметры среды - усредненные по некоторому макроскопическому объему значения диэлектрической проницаемости е, магнитной проницаемости удельной электрической проводимости а.

Для фиксированного значения Л глубина проникновения (величина скин-слоя) определяется только значениями ег и а среды.

Заменяя в (2.18) с = 2л£ на 2пс / Л0, где с - скорость света; Л0 - длина электромагнитной волны (ЭМВ) в вакууме, разделив на диэлектрическую проницаемость вакуума, можно записать выражение в относительных единицах для относительной комплексной диэлектрической проницаемости вг в виде:

е'г =ег - г60аЛ0 (2.19)

Здесь ег - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Соотношение мнимой (60аЛ0) и реальной (ег) частей комплексной вели-

чины е'г определяет отношение токов проводимости 1пр и смещения Iсм, возникающих в полупроводящей среде при возбуждении в ней электромагнитной волны, т. е.

1пр /1см = 60ал/ег (2.20)

здесь Л - длина волны в среде.

В свою очередь, уровень потерь (степень затухания) возбужденного в полупроводящей среде электромагнитного поля (ЭМП) зависит от величины отношения Iпр /1см - Чем больше 1пр / 1см, тем выше потери.

Таким образом, величина потерь волнового процесса, возбужденного в полупроводящей среде, пропорциональна отношению значений ее макроскопических параметров: относительной диэлектрической проницаемости ег и удельной проводимости а.

Это обстоятельство в значительной мере ограничивает (а в ряде случаев исключает) использование подземных излучателей, из-за неоправданно больших энергетических потерь в полупроводящей среде.

Однако, из (2.20) непосредственно следует, что уменьшение проводимости среды приведет к снижению потерь. Достичь уменьшения проводимости возможно одновременно с уменьшением концентрации свободных зарядов в среде. Таким образом, приложение постоянного внешнего электрического поля может привести к локализации свободного пространственного заряда вдали от антенны, что, в свою очередь, приведет к локальному снижению проводимости среды (в окрестности антенны) и, соответственно, к снижению потерь на излучение (см. рисунок 2.20).

Автором экспериментально подтверждена и теоретически обоснована ранее неизвестная закономерность изменения макроскопических параметров в локальном объеме полупроводящей (диссипативной) среды, при создании в пределах этого объема электрического поля смещения - Есм. Причем, чем выше Есм, тем

меньше соотношение 1пр / 1см за счет снижения удельной проводимости среды а в пределах локального объема.

ХОУ:

ХОУ:

Рисунок 2.20 - Принцип изменения макроскопических параметров среды

в окрестности антенны

Впервые упомянутые результаты изложены в материалах описания изобретения «Система радиосвязи» по патенту РФ № 2103824 от 27.01.98, заявка № 95120734 с приоритетом от 13 12.95 [90].

2.4 Выводы по разделу

Разработана методика электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде, методом моментов.

С учетом особенностей подземных антенн и характеристик полупроводящего приповерхностного слоя земли, в котором они размещаются, предложена модель и методика расчета электрических характеристик проволочных антенн, размещенных в диссипативных средах, основанная на известном методе моментов и принципе эквивалентности. Это позволило свести задачу отыскания электромагнитного поля антенны, погруженной в диссипативную среду (подземной антенны), к задаче отыскания поля в свободном пространстве по найденным распределениям эквивалентных токов, учитывающим условия на границах раздела диэлектрических сред.

Обоснован подход на основе декомпозиции структуры на ансамбль сегментов, представляющих собой частично перекрывающиеся электрически короткие симметричные вибраторы с экспоненциальным распределением тока вдоль плеч.

Выведена система матричных уравнений, позволяющая определить парциальные токи в сегментах (т.е. распределение тока в антенне) при заданном режиме возбуждения структуры.

Получены аналитические выражения для расчета элементов матриц взаимных импедансов и адмитансов в структуре, содержащей произвольно ориентированные друг относительно друга сегменты.

Разработанная методика расчета позволяет определить электрические характеристики антенного устройства, выполненного как из одиночного проводника, так и образованного системой изолированных проводников, произвольно ори-

ентированных друг относительно друга, с учетом особенностей электрофизических свойств среды заложения.

Выполнена апробация разработанной методики электродинамического анализа антенн по результатам решения тестовых задач.

На примере тестовой модели подземной антенны проведено сравнение результатов расчета электрических характеристик по разработанной методике и известным программным комплексом Беко 7.0 при различных геометрических и электрофизических характеристиках модели. Полученные в результате распределения тока вдоль проводников с достаточной степенью точности совпадают для обоих методов и хорошо согласуются с данными об электрических характеристиках подземных антенн, опубликованными в печати.

Таким образом, результаты апробации подтвердили адекватность предложенной методики расчета электрических характеристик подземных антенн.

Исследованы возможности управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения.

Показано, что приложение постоянного внешнего электрического поля может привести к локализации свободного пространственного заряда вдали от антенны, что, в свою очередь, приведет к локальному снижению проводимости среды (в окрестности антенны) и, соответственно, к снижению потерь.

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ И ПОДЗЕМНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ НА ИХ ОСНОВЕ

3.1 Исследование и разработка технических решений базовых излучателей подземных антенных систем

Рассмотрим варианты построения подземных антенных систем, обладающие достоинствами и удовлетворяющие требованиям, описанным в п. 1.1, 1.2.

Применяемые в настоящее время методы расчета электрических характеристик линейных вибраторных антенн и построенных на их базе антенных систем основаны на различных способах решения интегрального уравнения Галлена относительно функции распределения тока 1(х) в симметричном вибраторе, плечи которого образованы тонкими цилиндрическими проводниками (I >> а, где I -длина плеча вибратора, а - радиус проводника) [1].

Примем подобный излучатель в качестве простейшей подземной антенны (ПА) (рисунок 3.1) и рассмотрим возможные направления построения на его основе излучателя с характеристиками, сформированными с учетом отличительных особенностей ПА.

Эффективность излучения такой антенны в верхнее полупространство будет определяться распределением тока в ней и следующими основными видами потерь:

- потери излученной энергии в окружающей антенну поглощающей среде;

- потери энергии вследствие ненаправленного излучения антенны;

- потери поляризационные.

1(х)

а

плечо вибратора

сторонний источник ЭДС

Рисунок 3.1 - Симметричный вибратор подземной антенны

Потери излученной энергии в окружающей ПА поглощающей среде являются определяющими при оценке перспектив ее применения в системах связи. На снижение этих потерь направлены ограничения в требованиях к геоэлектрическим параметрам грунта (среды) при выборе места посадки антенны в случае шахтного строительства или искусственного диэлектрического наполнения при котлованном методе строительства. Дальнейшие меры по снижению потерь данного вида связаны с оптимизацией конструкции излучателя. Наибольшая интенсивность потерь излученной ПА энергии имеет место в непосредственной близости от ее поверхности, где наиболее велика плотность потока излученной антенной энергии. К снижению указанных «ближних» потерь приводит уменьшение плотности тока на проводниках антенны при сохранении уровня подведенной к ней мощности. Это достигается понижением волнового сопротивления антенны р

=1201п (—-1), т.е. увеличением радиуса проводника - а при неизменной длине

а

плеча - I. Однако, уменьшение соотношения — может привести к нарушению

а

ограничения области применимости используемого для расчетов параметров антенн математического аппарата. Замена цилиндра большого сечения (рисунок 3.2а) сетью N проводников малого сечения (условие 1>>а), расположенных по образующей его цилиндрической поверхности снимает это противоречие, но решение задачи находится уже не для одиночного вибратора, а для системы из N вибраторов (рисунок 3.2б).

Радиус образующей цилиндрической поверхности выбирается как из конструктивно-технологических, так и энергетических соображений, определяемых диапазоном рабочих частот, допустимой плотностью тока на проводниках вибратора (вмещаемой мощностью) и т.д. С целью дальнейшего улучшения распределения тока на вибраторе, повышения его широкополосности по внутренним и внешним электрическим характеристикам может быть рекомендован бикониче-ский вибратор (рисунок 3.2в) в исполнении, аналогичном квазицилиндрическому. Реализация ПА на основе объемных вибраторов оказывается неоправданно сложной задачей при использовании современных строительных технологий.

1(х)

плечо вибратора сторонний источник ЭДС

а) цилиндрический вибратор

Рисунок 3.2 - Объемные симметричные вибраторы подземной антенны

В связи с этим вполне целесообразным будет переход от объемных типов излучателей к плоскостным. Так, цилиндр большого диаметра (квазицилиндр) разворачивается в плоскость (квазиплоскость) «лист тока» (рисунок 3.3а). «Лист тока» имеет синфазное и равномерное вдоль зазора распределение тока на входе вибратора. Практически при точечном источнике сторонней ЭДС это условие не выполняется и чем ниже волновое сопротивление вибратора, т.е. чем шире плоскость (квазиплоскость) плеча, тем больше будут различия фаз и уровни тока на входах периферийных проводников квазиплоскости (стационарных линий тока на плоскости) и центральным, примыкающим к точке приложения источника сторонней ЭДС проводником.

Одним из способов устранения этого недостатка плоскостного вибратора является применение распределенного по зазору возбуждения, что достигается разбиением плоскости плеча вибратора на отдельные секции, возбуждаемые источником сторонней ЭДС(генератором) через введенный в систему питания антенны делитель мощности (ДМ) (рисунок 3.3б).

Переход к секторной форме плеча вибратора (рисунок 3.4) обеспечивает практически синфазное возбуждение токов, протекающих по проводникам (для квазиплоскостного) или стационарным линиям (для плоскостного варианта) тока. Наряду с этим, в отличие от вибратора с прямоугольным плечом секторный вибратор имеет понижающееся от входа к концу плеча волновое сопротивление, что способствует выравниванию распределения тока вдоль плеча вибратора и более благоприятное для согласования с генератором соотношение падающей и отраженной волн тока на входе антенны.

сторонний источник ЭДС

плечо вибратора

1(Х)

I)

а) квазиплоскостной излучатель с сосредоточенным возбужде-1(Х нием 1(Х

(Е

>п

(Е

(Е

ДМ

(Е

(Е

(Е

3)

ДМ

I)

3)

3)

б) квазиплоскостной излучатель с распределением по зазору возбуждением

Рисунок 3.3 - Квазиплоскостной прямоугольный симметричный вибратор

сторонний источник ЭДС плечо вибратора

Рисунок 3.4 - Секторный вибратор

Проводники, образующие плечи объемных и плоскостных вибраторов могут быть неизолированными от окружающей среды (проводники непосредственного заложения) или изолированными от среды слоем диэлектрика. Изолированные ПА и ПА непосредственного заложения различны по типу возбуждаемых в них волн, механизмам излучения энергии в окружающее антенну пространство, методам анализа. Если среду в месте посадки антенны можно считать диэлектрической (е>> 60аХ) и в ней преобладают токи смещения, то с точки зрения энергетической эффективности выбор того или иного типа проводника не имеет принципиального значения и на первый план выходят условия формирования внутренних электрических характеристик антенны и ее эксплуатационные и технологические параметры. В иных случаях, когда наряду с токами смещения в среде присутствуют и токи проводимости, предпочтение следует отдавать проводникам изолированным от окружающей среды или кусочно-изолированным, где концевая не изолированная часть проводника выполняет роль концевого заземлителя. Подбором соотношений длин изолированной и неизолированной частей достигается равномерное распределение тока на входной, изолированной части излучателя и быстрое, экспоненциальное спадание его на концевой, неизолированной части (рисунок 3.5).

токовая функция сторонний источник ЭДС плечо вибратора

заземлитель участок

Рисунок 3.5 - Изолированный вибратор с концевым заземлителем

Из приведенных соображений можно сделать вывод, что с целью минимизации потерь в окружающей антенну среде с учетом обеспечения удовлетворительного согласования с генератором, в качестве подземного излучателя КВ диапазона можно рекомендовать квазиплоскостной прямоугольный (рисунки 3.3а,

3.3б) или секторный (веерный) симметричный вибратор, плечи которого выполнены из кусочно-изолированных проводников (рисунок 3.6).

изолированным участок

Рисунок 3.6 - Секторный (изолированный) веерный вибратор

Линейный симметричный вибратор в окружающем пространстве создает равномерно распространяющуюся цилиндрическую волну. Эффективность же излучения ПА в верхнее полупространство определяется лишь той частью излученной энергии, которая достигает границы раздела сред «земля-свободное пространство» в зоне формирования диаграммы направленности антенны, зоне Френеля. Увеличение этой доли энергии, т.е. повышение эффективности излучения энергии антенны в верхнее полупространство реализуется применением в подземных антенных системах излучателей с характеристикой направленности, ориентированной в направлении границы раздела сред. Приемлемую направленность излучения можно получить выполнив симметричный квазиплоскостной секторный вибратор в виде уголкового. Окружающая вибратор полупроводящая среда придает ему свойства переменнофазной антенны и при длине плеча I > 0,75^ср где, ^ср - длина волны в среде и угле © = ©опт парциальные диаграммы направленности плеч вибратора складываются в его биссекторной плоскости. Уголковой вибратор т.о. является аналогом V -образной экспоненциальной антенны [67] и имеет, в основном, такие же особенности формирования структуры излучателя и его электрических характеристик.

Характеристики излучения, ориентированные в направление границы раздела реализуются и при использовании антенны, состоящей из двух разнесенных по вертикали симметричных вибраторов, каждый из которых имеет источник сторонней ЭДС - генератор. Такая пара, как известно [104], при равноамплитудном возбуждении и соответствующем фазировании имеет кардиоидную диаграмму направленности, ориентированную максимумом в направлении границы раздела среды (рисунок 3.7).

поверхность

/////////*/////////////////////////

к

А

■ вибраторы первого яруса

Л/7

■ вибраторы второго яруса

Рисунок 3.7 - Ярусная подземная антенна В отличие от уголкового вибратора, имеющего существенную частотную зависимость характеристик излучения, в данном варианте при использовании принудительного фазирования фазовый сдвиг в диапазоне частот поддерживается постоянными Ау(ы) и амплитудно-фазовое распределение между вибрато-

рами в диапазоне частот хорошо регулируется.

Излученная горизонтальной ПА энергия достигает границы раздела сред и, частично отражаясь, преломляется в верхнее полупространство, возбуждая в нем горизонтально поляризованное электрическое поле Ег, максимум которого создается в направлении, перпендикулярном оси вибратора, и вертикально поляризованное поле Ев , максимальное в направлении оси вибратора (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Распределение горизонтально и вертикально поляризованных электрических полей в свободном пространстве

При посадке антенны в диэлектрической среде (е >> 60бХ) на электрически значимом расстоянии от границы раздела указанные поляризационные составляющие поля энергетически сопоставимы и для организации радиосвязи могут быть использованы в равной степени как горизонтально, так и вертикально поляризованные радиоволны. Однако, при работе на заданном радионаправлении возможно использование лишь одной из этих линейных поляризаций и часть излученной энергии, затраченная на формирование ортогональной поляризованной составляющей поля следует отнести к потерям.

Избежать этих потерь можно путем перехода от линейно поляризованных антенн к антеннам с круговой поляризацией, формирующих вращающееся поле с ненаправленной (круговой) характеристикой излучения в горизонтальной плоскости. Турникетная антенна (ТА), образованная двумя ортогональными симметричными вибраторами, возбуждаемыми с квадратурным фазовым сдвигом, будет создавать в верхнем полупространстве два вращающихся поля - горизонтально поляризованных волн Ег и вертикально поляризованных волн Ев с круговыми диаграммами направленности в горизонтальной плоскости для каждого из них. В

точке наблюдения поля будут складываться в квадратуре |Е0| = ^\ЕГ\2 + \ЕВ\2 создавая суммарное вращающееся поле с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости без поляризационных потерь для любого заданного азимутального направления.

Если объединить компланарную двухэтажную линейную вибраторную антенну с плоскостной турникетной в одной конструкции, то получившаяся объемная турникетная антенна [130] будет обладать достоинствами обеих излучателей-создавать направленное излучение в сторону границы раздела сред и формировать в верхнем полупространстве суммарное для двух поляризационных составляющих Ег и Ев вращающееся поле Е0 с круговой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости (рисунок 3.9).

////////////////////////////////////

" у У

у У

у

у

у '

У

У I

к

ярус 1

ярус 2

\ I / \ I / \1 /

- вид сверху

/

/|\

/ I \ / I \

Рисунок 3.9 - Ортогональная ярусная подземная антенна

Результатом приведенных соображений представляется двухэтажная вибраторная ПА с минимизированным уровнем потерь в окружающей антенну поглощающей среде, а так же потерь за счет ненаправленного излучения и паразитной поляризации. ПА имеет круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и избавлена от асимметрии. Конструктивно, например, для шахтного варианта строительства такая антенна имеет вид представленный на рисунке 3.10.

Подземная антенна, показанная на рисунке 3.9, состоит из первого и второго ярусов симметричных вибраторов (СВ), разнесенных по вертикали и ориентированных ортогонально. Плечи СВ выполнены в виде проводников диаметром 2а и длиной I, каждый из которых установлен в скважине диаметром 2Я и также длиной I, пробуренной в полупроводящем грунте, имеющем макроскопические параметры: относительную диэлектрическую проницаемость ег и удельную электропроводимость о [См/м]. На рисунке 3.10 с целью упрощения рисунка скважины не показаны.

Скважины, для размещения в них проводников 1 первого яруса симметричных вибраторов, пробурены в горизонтальной плоскости через боковые стенки бункера, также размещенном в полупроводящем грунте. Скважины 2 для размещения в них проводников второго яруса СВ пробурены через свод бункера 4 в двух плоскостях, расположенных соответственно под углами +а и -а относительно плоскости расположения плеч СВ первого яруса, т.е. относительно горизонтальной плоскости (см. рисунок 3.10).

Проекции проводников СВ второго яруса перпендикулярны проводникам СВ первого яруса. Этим обеспечивается пространственная квадратура плеч СВ первого и второго ярусов. В каждом плече СВ проводники сгруппированы в N групп по К проводников в каждой группе. На рисунке 3.10, в частности, показано, что в каждом плече СВ N= 4 и К = 5.

В каждой группе проводники разнесены на расстояние dв друг от друга. А расстояние между примыкающими друг к другу проводниками, принадлежащими двум рядом расположенным группам проводников, составляет d гр.

Рисунок 3.10 - Базовый излучатель подземной турникетной антенны

Входы проводников 1 каждой группы объединены. Следовательно каждое плечо СВ имеет N входов. С учетом технологических условий размещения входы плеч СВ первого и второго ярусов разнесены по высоте на величину А н = (0,4 - 0,6) Н.

В антенне осуществляется квадратурное фазовое возбуждение СВ первого и второго ярусов, т.е. обеспечивается фазовый сдвиг на 90° между соответствующими входами.

Проводники в зависимости от значений макроскопических параметров е г, о среды заложения антенны и максимальной длины рабочей волны X макс могут быть реализованы различным образом. При выполнении условия е г > 60 оХмакс проводники целесообразно выполнить неизолированными, например, в виде оцинкованных труб диаметром 2а, а при выполнении условия ег < 60 оХмакс -изолированными от среды, например, с помощью полиэтилена низкой плотности марки 153-09^. В качестве такого проводника может быть использован отрезок коаксиального кабеля. Длину I проводников и соответственно такую же длину скважин выбирают с учетом укорочения максимальной длины волны X макс в среде из условия:

I = (0,2 - 0,25)Хмакс ЦК1

Экспериментальные исследования показали, что ширина группы проводников Т должна составлять Т = (0,3 - 0,4) I. Число К проводников в каждой

из N групп проводников, расстояние dв между ними, а также расстояние dтv

между примыкающими группами проводников также определяются экспериментально исходя из условия достижения равномерного распределения амплитуд тока и его синфазности по проводникам каждой группы (т.е. максимизации коэффициента усиления антенны) и условия достижения приемлемой стоимости объекта.

Выполним анализ электрических характеристик описанной ПА. На рисунке 3.11 приведена электродинамическая модель ПА.

При расчетах использовались следующие параметры модели:

£ = 10 + ¿1.80, < = 0.001, а = 200, I = 2.35 м., глубина залегания верхнего яруса 1 м., расстояние между ярусами АН = 0.75 м., Тр = 0.41, расстояние dгр = 0.61, Лих = 30 м. Расчеты проводились для диапазона частот 3-12 МГц.

Рисунок 3.11 - Электродинамическая модель подземной антенны

На рисунках 3.12, 3.13 представлены частотные зависимости импеданса антенных вибраторов первого и второго ярусов. На рисунках 3.14, 3.15 представлены ДН в азимутальной (© = 600) и вертикальной (р = 00) плоскостях, рассчитанные на частотах 3 МГц, 7 МГц и 12 МГц, коэффициент направленного действия которых, равен -20 дБ, -10 дБ и -5 дБ, соответственно. Кроме того, были рассчитаны диаграммы направленности в вертикальной и азимутальной плоскостях и для других частот, в частности, для 4, 6, 10 МГц и 5, 8, 11 МГц, которые представлены в приложении А.

о

85,0

80,0

75,0

70,0

65,0

60,0

55,0

cü 50,0

45,0

40,0

35,0

I г i IIII Первый ярус - Второй ярус -----

\

\ *

\ *

\ ^

\ *

; \ \ V-;---------

\ ^ \ \ /

\\ / /

i ¡ I I I I

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

9,0

10,0 11,0

12,0

Частота, МГц

Рисунок 3.12 - Частотная зависимость действительной части импеданса симметричных вибраторов первого и второго яруса

Рисунок 3.13 - Частотная зависимость мнимой части импеданса симметричных вибраторов первого и второго яруса

Рисунок 3.14 - Диаграммы направленности подземной антенны в азимутальной

плоскости для 3, 7 и 12 МГц

Рисунок 3.15 - Диаграммы направленности подземной антенны в вертикальной

плоскости для 3, 7 и 12 МГц

В ряде случаев, может возникнуть ситуация, когда требуется передать большее количество информации за короткие сроки. Либо в условиях сложной помеховой обстановки, когда требуется повысить надежность канала связи, что, опять же, требует более высокой пропускной способности.

В [24] показано, что повысить пропускную способность каналов связи в ДКМВ диапазоне возможно с помощью применения технологии MIMO (Multi Input Multi Output) [93] на основе поляризационного разнесения подканалов. В связи с этим, предъявляются дополнительные требования к передающим и приемным антенным системам [10, 13]. В частности, антенны должны иметь возможность одновременного приема или передачи сигналов, разнесенных по поляризации, т.е. иметь взаимоортогональные излучающие элементы. При проектировании подобных антенных систем очень важно учитывать взаимное влияние между излучающими элементами, т.к. оно, достаточно сильно, отражается на пропускной способности [76]. В качестве оценки взаимного влияния используется взаимный импеданс между излучающими элементами одной антенны [74].

На рисунках 3.16-3. 19 показаны зависимости взаимного импеданса от частоты для данной, исследуемой подземной антенны. В данных графиках введены обозначения «1_5...1_8» и «2_5...2_8». Такое обозначение показывает, между какими двумя элементами верхнего и нижнего ярусов исследуется взаимное влияние. Все порты излучающих элементов данной электродинамической модели (рисунок 3.11) пронумерованы от 1 до 8. Нумерация от 1 до 4 начинается с левого края нижнего яруса, а нумерация от 5 до 8 с дальнего элемента верхнего яруса. Например, обозначение «1_5» означает, что показан взаимный импеданс между левым излучающим элементом нижнего яруса и дальним элементом верхнего яруса.

Как видно из графиков 3.16, 3.18, что действительная часть взаимного импеданса на некоторых частотах принимает отрицательные значения, что говорит о протекающих противофазных токах в излучающих элементах.

о

о" т го

С1 Ф С

л

I

го сэ СО

10,0 8,0 6,0 4,0 2,0 0,0 -2,0 -4,0 -6,0 -8,0 -10,0

1 5 1 6----- I I

1 7 -I 8-------

. --------^, /

.....Ч,- - ■ - * ** ~ — ч ................ N ........ \4 \ :

\ \ ч \

"" V...........;................. \ч \ .................................

I I |

3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0

Частота, МГц

9,0 10,0 11,0 12,0

Рисунок 3.16 - Действительная часть взаимного импеданса

4,0 _1_1_1_1_1_1_1_1_

3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0

Частота, МГц

Рисунок 3.18 - Действительная часть взаимного импеданса

Таким образом, анализируя данные графики, можно увидеть, что значения взаимного импеданса достаточно небольшие, что в свою очередь свидетельствует о малом взаимном влиянии между излучающими элементами.

3.2 Исследование и разработка технических решений подземных антенных систем

Рассмотрим вкратце понятия антенной решетки и фазированной антенной решетки (ФАР).

Антенная решетка (АР) представляет собой совокупность N отдельных антенн (излучателей), расположенных в пространстве определенным образом, сигналы с выходов которых xl,...,xN суммируются, образуя выходной сигнал антенной системы (АС) у . Пример антенной решетки приведен на рисунке 3.20.

n

у = I Xi (3.1)

i=1

Рисунок 3.20 -Антенная решетка Диаграмма направленности такой антенной системы имеет максимум по нормали к раскрыву.

С целью формирования в произвольном направлении диаграммы направленности антенной системы в тракты излучателей вводятся фазовращатели, которые компенсируют набеги фаз при приеме колебаний с отличных от нормали

направлений. Такая система называется фазированной антенной решеткой. Выходной сигнал ФАР представляется в виде:

n

y = X xi exp(jфi) (3.2)

i=1

Если наряду с формированием максимума диаграммы направленности в направлении приема ожидаемого полезного сигнала стоит задача пространственной фильтрации (подавления помех, проходящих с иных направлений), то применяют адаптивные фазированные антенные решетки. Адаптивная ФАР получается

из обычной ФАР путем замены фазовращателей системы фазирования на регули-

*

руемые весовые коэффициенты wi , в общем случае комплексные. Таким образом, в адаптивной ФАР появляется возможность изменять суммируемые сигналы как по фазе, так и по амплитуде.