Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ принципов построения и основных характеристик подземных антенных систем 18
1.1 Анализ основных требований к подземным антенным системам 18
1.2 Анализ основных характеристик существующих решений и принципов построения подземных антенных систем ДКМВ диапазона 25
1.3 Анализ основных методов и существующих программных средств моделирования и проектирования подземных антенных систем 37
1.4 Выводы по разделу 50
2 Разработка методики электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде 54
2.1 Разработка методики электродинамического анализа антенн, размещенных в диссипативной среде, методом моментов 54
2.2 Апробация разработанной методики электродинамического анализа антенн, по результатам решения тестовых задач 62
2.3 Исследование возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения 73
2.4 Выводы по разделу 77
3 Разработка методик проектирования базовых из лучателей и подземных антенных систем на их основе 79
3.1 Исследование и разработка технических решений базовых излучателей подземных антенных систем 79
3.2 Исследование и разработка технических решений подземных антенных систем 99
3.3 Разработка методики проектирования базовых излучателей подземных антенных систем 106 3.4 Разработка методики проектирования подземных антенных систем 112
3.5 Выводы по разделу 119
4 Практическая реализация и экспериментальные исследования составных частей подземных антенных систем 122
4.1 Практическая реализация составных частей подземных антенных систем в рамках внедрения результатов диссертационной работы 122
4.2 Экспериментальная проверка влияния электрического поля смещения на макроскопические параметры локального объема диссипативной среды 146
4.3 Выводы по разделу 152
Заключение 155
Список сокращений и условных обозначений 164
Список литературы
- Анализ основных характеристик существующих решений и принципов построения подземных антенных систем ДКМВ диапазона
- Апробация разработанной методики электродинамического анализа антенн, по результатам решения тестовых задач
- Исследование и разработка технических решений подземных антенных систем
- Экспериментальная проверка влияния электрического поля смещения на макроскопические параметры локального объема диссипативной среды
Введение к работе
Актуальность темы исследования
В настоящее время важная роль радиосвязи диапазона декаметровых волн (ДКМВ) общепризнана и не подвергается сомнению. Состоявшийся в последние годы переход в ДКМВ радиосвязи на передачу информации в дискретной форме в сочетании с использованием помехозащищенных сигнально-кодовых конструкций позволил 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 некоторое время 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 террористических актов. В связи с этим возникает необходимость поддержания постоянной готовности существующих защищенных объектов и подземных антенн в их составе, а также создания новых подобных объектов. Следует отметить, что 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
Концептуальные вопросы, связанные с построением, функционированием и подходами к анализу подземных антенн, были рассмотрены достаточно давно в монографиях Г.А. Лаврова, А.С. Князева и Р. Кинга, Г. Смита, успевших стать классическими. В последнее время, несмотря на относительно небольшое количество публикаций, вопросы проектирования и анализа подземных антенн в достаточной степени освещены в трудах А.Л. Бузова, Ю.И. Кольчугина, Р. Хансена, В.П. Чернолеса. Кроме того, выявлено некоторое количество технических решений подземных антенн, защищенных патентами России и США. Однако в целом проведенный обзор показал необходимость разработки новых эффектив-
ных 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 диссертационной работы состоит в разработке научно обоснованных теоретических положений и технических решений по построению подземных антенных систем для ДКМВ радиосвязи.
Задачи диссертационной работы:
-
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 и реализация методики проектирования базовых излучателей подземных антенных систем.
-
Разработка и реализация 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.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
На основе известного метода моментов разработана математическая модель и методика электродинамического анализа антенн, размещенных в дисси-пативной среде.
-
Получены новые теоретические и экспериментальные результаты исследования возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля смещения.
-
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 из
лучателей, расчет электрических параметров антенной системы на основе раз
работанной методики электродинамического анализа антенн и уточнение гео
метрических параметров проектируемой антенной системы по результатам рас
четов.
5. Получены новые результаты исследования характеристик базовых излу
чателей и подземных антенных систем на их основе.
Теоретическая и практическая значимость работы
1. Разработанные автором математическая модель и методика электроди
намического 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 уни
версальным 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.
Методология и методы исследования
При выполнении диссертационной работы использовались методы классической электродинамики, теории антенн, теории длинных линий, физического
эксперимента, численные методы. Для проведения расчетов в целях верификации полученных результатов использовался программный комплекс Feko 7.0.
На защиту выносятся следующие основные положения
1. Математическая модель и методика электродинамического анализа ан
тенн, размещенных в диссипативной среде, на основе метода моментов.
2. Новые теоретические и экспериментальные результаты исследования
возможностей управления макроскопическими параметрами локального объема
диссипативной среды за счет наложения постоянного электрического поля
смещения.
-
Методики проектирования базовых излучателей и подземных антенных систем на их основе.
-
Новые результаты исследования характеристик базовых излучателей и подземных антенных систем на их основе.
Достоверность и обоснованность 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. Диссертационная работа соответствует п.п. 1, 2 и 3 паспорта специальности 05.12.07.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования докладывались на:
- XV-й научно-технической конференции ВМИРЭ им. А.С. Попова (СПб.,
2004);
- Всеармейских научно-практических конференциях «Инновационная дея-
тельность в ВС РФ» (СПб., 2004, 2005, 2006, 2007, 2009);
- XXIII Российской научно-технической конференции ПГУТИ (Самара,
2016). По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве) опубликовано 17 печатных трудов. Основные научные и прикладные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 научных статьях в журналах, входящих в «Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук», в 3 патентах Российской Федерации на изобретения, в статье, помещенной в информационно-аналитическим сборнике по научным открытиям, идеям и гипотезам, в 9 публикациях в форме тезисов докладов.
Реализация результатов работы
Результаты диссертационной работы, при активном непосредственном участии автора, успешно внедрены на предприятиях России. Реализация результатов работы и достигнутый эффект подтверждены соответствующими актами.
Анализ основных характеристик существующих решений и принципов построения подземных антенных систем ДКМВ диапазона
Очевидно, что подобные антенны способны эффективно излучать энергию лишь в верхнюю полусферу с относительно малыми полярными углами ( 45…60). Излучение в указанном диапазоне углов за счет отражения декаметро-вых волн от ионосферы позволяет осуществлять связь на расстояниях порядка несколько сотен километров [36, 44], что удовлетворяет требованиям зоновой радиосвязи и (в меньшей степени) односкачковых трасс.
При такой конструкции излучающей системы реализация заданных параметров стойкости сводится к выбору геометрических параметров структуры (включая глубину заложения) и материала монолитного диэлектрического укрытия. Одновременно относительно просто решается проблема обеспечения скрытности размещения, т.к. верхняя (надземная) часть диэлектрического укрытия может быть легко замаскирована под естественный элемент урбанистического ландшафта (автостоянка, спортивная площадка и т.п.). Еще раз отметим, что данным антеннам присущи недостатки, связанные с размещением излучающей системы в полупроводящей среде, главный из которых – низкий КПД. Одним из путей повышения КПД является применение дополнительных мер для снижения электропроводности диэлектрика и грунта. В частности, достаточно часто применяются дренажные системы для отвода грунтовых вод [9, 51, 52, 55], что обеспечивает уменьшение электропроводности окружающей почвы. Кроме того, подземные антенны обычно располагают в «хороших» диэлектриках, обладающих достаточно низкой электропроводностью. Размещение подземных антенн в таких условиях позволяет также предотвратить или существенно замедлить коррозию, тем самым, увеличить срок службы и качество антенн. Далее подземную антенну, размещенную в диэлектрике, будем называть изолированной антенной.
Легко видеть, что предварительное натурное моделирование (макетирование) технических решений излучателя при разработке подобных изделий представляет собой дорогостоящую и трудоемкую задачу, вследствие чего особо важную роль приобретает адекватность математического моделирования, точность и достоверность полученных результатов. Математическое моделирование, в свою очередь, усложняется за счет необходимости учета окружающей полупроводящей среды.
Как уже отмечалось выше, до поступления соответствующего приказа изолированные (защищенные) антенны не используются в режиме передачи, в связи с чем, экспериментальное определение антенных характеристик в процессе эксплуатации возможно только на основе относительно трудоемких косвенных методик [17, 50-52].
Как уже было отмечено, электрофизические характеристики подземных антенн хуже, чем у антенн, размещенных в свободном пространстве, иначе говоря, у таких антенн плотность потока энергии будет значительно меньше. Недостаток такого рода может быть компенсирован путем увеличения выходной мощности передатчика. Исходя из опубликованных данных [6, 12], для зоновых связей и од-носкачковых трасс вполне достаточным является уровень мощности 2…5 кВт. Помимо ухудшения характеристик направленности, имеет место ухудшение импедансных характеристик. Обычно это приводит к существенному сужению рабочего диапазона антенной системы, так что естественный КБВ излучающей системы в большей части рабочего диапазона оказывается недопустимо малым. В диапазоне ДКМВ достаточно хорошо разработаны пути и средства решения таких проблем с помощью применения быстродействующих перестраиваемых ан-тенно-согласующих устройств на основе высокодобротных П или Т контуров, осуществляющих оперативную настройку одновременно со сменой рабочей частоты [6, 7, 11, 44, 46, 57].
Таким образом, состав защищенных антенных систем должен как минимум состоять из: - излучающей системы (ИС); - комплекта фидеров (КФ); - антенно-согласующего устройства (АнСУ). Возможен также вариант применения широкополосных передатчиков (ШПМ РПДУ). В таком случае, наличие АнСУ не требуется.
Поскольку излучающая система, как правило, имеет симметричный вход, в составе АнСУ обычно присутствует широкополосное (неперестраиваемое) симметрирующее согласующее устройство (УСС) [6, 12, 44].
Укрупненный состав подземной изолированной антенны иллюстрирует рисунок 1.2. Типичные решения излучающих систем (см. ниже п.1.2) представляют собой более или менее сложные вибраторные антенны, конструктивно выполненные на основе тонких проволок. В то же время, относительно широкополосные решения на основе шунтовых вибраторов [62, 65] в ряде случаев оказываются отвергнутыми вследствие труднотей осуществления для них текущего контроля исправности. Действительно, в условиях запрета на подачу в антенну какого-либо высокочастотного сигнала, наиболее удобным способом контроля состояния антенны в процессе эксплуатации является измерения параметров по постоянному току [51]. Применении шунтов на вибраторах приведет к тому, что антенная система по постоянному току будет закорочена, что сделает невозможным контроль состояния антенны и диэлектрика. Наиболее вероятно сохранение электрического контакта даже в случае активно протекающих коррозийных процессов. Таким образом, диагностирование кортокозамкнутого состояния не даст достаточной информации о состоянии антенны и окружающего ее диэлектрика. Поэтому для решения этой проблемы во многих случаях используются нешунтированные вибраторы с контролем сопротивления на входе антенны [51, 52]. Последнее должно значительно измениться при сильном изменении электрофизических свойств среды, например, в случае появления грунтовых вод или разрушения диэлектрика.
В тех случаях, когда для устойчивого приема сигнала, отраженного от ионосферы, необходимо использование различных видов поляризации (обычно в сочетании с поляризационной адаптацией) [6, 7], должны применяться «турникетные» системы на основе скрещенных вибраторов с общим волновым центром и соответствующим фазовым сдвигом (рисунок 1.3).
Например, в случае двух скрещенных вибраторов необходимо их возбуждать в квадратуре. Аналогичная задача (фазирование сигналов) возникает и при реализации излучающей системы в виде антенной решетки. Таким образом, в составе подземной антенны, вообще говоря, может присутствовать устройство фазирования (УФ) той или иной конструкции [44, 48, 66], обеспечивающее необходимый фазовый сдвиг для формирования и/или управления пространственными и поляризационными характеристиками (рисунок 1.4).
Апробация разработанной методики электродинамического анализа антенн, по результатам решения тестовых задач
Можно заметить, что уравнения Поклингтона (1.4) и Харрингтона (1.5) весьма похожи, с той лишь разницей, что в (1.5) входит производная по току. Из (1.6) видно, что уравнение Галенна обладает фиксированной правой частью. Иначе говоря, возможность выбора произвольного стороннего источника возбуждения (в виде произвольной заданной функции) отсутствует, что существенно ограничивает область применения. Интегральные уравнения (1.4-1.5) не накладывают существенных ограничений на контур интегрирования, образованный совокупностью осей проводников, что позволяет использовать их для анализа проволочных антенн произвольной пространственной формы. Также достоинством данного метода является то, что он обладает сравнительно меньшей ресурсоемкостью, так как в интегральных уравнениях присутствует только скалярная функция одной переменной.
Однако, у данного метода существуют и недостатки. В первую очередь, это связано с неустойчивостью получаемого решения, возникающей вследствие некорректности математической задачи по Адамару [28, 102]. Кроме того, предъявляются достаточно жесткие ограничения на радиус проводников (проволок) сверху (приблизительно 0,01 длины волны).
Использование методов интегральных уравнений в тонкопроволочном приближении, основанных на уравнениях Фредгольма второго рода [14, 15], которые являются корректной математической задачей, позволяет частично устранить вышеизложенные недостатки.
Ниже приведено уравнение Фредгольма второго рода, имеющее смысл граничного условия для тангенциальной составляющей магнитного поля [20]: Iф0Д/,ф)Я(/,ф) = j(Z)- f ф0Д/,ф)ф0Д/,ф) 7ХО І ІІ W (1.7) где (ьф) - стороннее магнитное поле; Фо/V Ф/ 5 Фог v ФУ _ азимутальные орты в цилиндрических системах, связанных с проводниками в точках / и 1\ соответственно; - азимут в цилиндрической системе, связанной с проводником; - контур поперечного сечения проводника; - координата, отсчитываемая вдоль контура .
Уравнения Фредгольма второго рода являются корректной математической задачей, но на них также действует «мягкое» ограничение на радиус проводников сверху. Помимо этого, существуют ограничения на радиус проводников снизу.
Ограничения на радиус проводников сверху возникают в результате выхода предложенной тонкопроволочной модели за пределы области применимости, а не из-за несовершенства математического аппарата. Тонкопроволочное приближение предполагает наличие осевого тока, в то время как в действительности, ток течет по поверхности проводника. Для достаточно тонких проводников, данная погрешность является несущественной, однако, при увеличении радиуса, она будет, несомненно, возрастать. Частично компенсировать данную проблему возможно путем ввода специальной добавочной функции - множителя [20].
Ограничение на радиус проводников снизу, связано с представлением граничных условий для нормальных и тангенциальных составляющих. При неосе-симметричном возбуждении, появляется проблема, так называемых, «малых разностей» [36].
Помимо методов интегральных уравнений, основанных на уравнениях Фредгольма, также существуют методы сингулярных интегральных уравнений [71, 72, 107], в которых решается задача относительно поверхностного тока. Преимуществом данных методов является то, что они обеспечивают устойчивость решения, т.к. такая задача является корректной математической задачей [28, 102]. Недостатком данных методов является меньшая универсальность, более сложная алгоритмизация, а также большая ресурсоемкость.
В основу ПК SCATER была положены методы интегральных уравнений в тонкопроволочном приближения, на основе уравнений Фредгольма первого и второго рода, а также приближенные методы, в частности, методы физической оптики и их комбинация. Помимо того, в ПК SCATER имеется возможность достаточно большого выбора источников возбуждения. Графический интерфейс данного программного комплекса представлен на рисунке 1.19. Программный комплекс SAMANT используется для решения задач электродинамического анализа проволочных антенн и антенных решеток. Данный программный комплекс позволяет производить расчет как импедансных характеристик, так и характеристик направленности. В основу данного программного комплекса был положен метод интегральных уравнений Фредгольма первого рода в тонкопроволочном приближением. Кроме того, были учтены свойства поворотной и зеркальной симметрии, а также был произведен учет влияния на электрофизические характеристики исследуемых антенн подстилающей поверхности. Графический интерфейс данного программного комплекса представлен на рисунке 1.20.
Следует отметить, что ПК SCATER ровно, как и ПК SAMANT являются достаточно узконаправленными, т.е. разработаны для конкретного класса задач. В частности, моделирование области пространства с многослойным диэлектрическим заполнением в них не предусмотрено.
Наконец, существуют методы обобщенных эквивалентных цепей (ОЭЦ) [42, 43], которые, также как и методы сингулярных интегральных уравнений, решают задачу относительно поверхностного тока. В рамках данных методов антенная система рассматривается как эквивалентная электрическая цепь.
Исследование и разработка технических решений подземных антенных систем
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 /, каждый из которых установлен в скважине диаметром 2R и также длиной /, пробуренной в полупроводящем грунте, имеющем макроскопические параметры: относительную диэлектрическую проницаемость єг 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 +ос 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 J . N 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 єг, о среды заложения антенны и максимальной длины рабочей волны А,макс могут быть реализованы различным образом. При выполнении условия єг 60оА,макс проводники целесообразно выполнить неизолированными, например, в виде оцинкованных труб диаметром 2а, а при выполнении условия єг 60оА,макс -изолированными от среды, например, с помощью полиэтилена низкой плотности марки 153-09/Г. В качестве такого проводника может быть использован отрезок коаксиального кабеля. Длину / проводников и соответственно такую же длину скважин выбирают с учетом укорочения максимальной длины волны А,макс в среде из условия:
Экспериментальные исследования показали, что ширина группы проводников 7гр должна составлять 7гр = (0,3 - 0,4)/. Число К проводников в каждой из N групп проводников, расстояние dв между ними, а также расстояние dгр 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.
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 (0 = 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. Рисунок 3.12 - Частотная зависимость действительной части импеданса симметричных вибраторов первого и второго яруса
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.
Экспериментальная проверка влияния электрического поля смещения на макроскопические параметры локального объема диссипативной среды
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемой является известная подземная ФАР [84], которая состоит из блока базовых антенных модулей (ББАМ). Каждый из N (N 2) базовых антенных модулей (БАМ) выполнен в виде пары ортогональных плоских симметричных излучателей возбуждаемых независимо. БАМ установлены попарно симметрично относительно центра апертуры ФАР, образуя кольцевую решетку. БАМ размещены в толще земли и под 133 ключены к соответствующим фидерам, которые в свою очередь подключены к входам блока формирования радиоканала (БФРК) В описании прототипа БФРК обозначен как «фидерный тракт». БФРК состоит из переключателей ортогональных симметричных излучателей, линий задержки, инверторов и сумматора. Путем коммутации соответствующих излучателей и их фазирования достигается возможность управления формой и ориентацией максимума диаграммы направленности. Недостатком данной известной антенной системы является ее низкая эффективность (КУ) при заложении ее БАМ на глубину, обеспечивающую необходимую степень их защиты от ударных и вибрационных нагрузок, что обусловлено при таких условиях значительными потерями энергии выходящей в верхнее полупространство электромагнитной волны (ЭМВ).
Возможность формирования диаграммы направленности (ДН) с максимумом в произвольном азимутальном направлении достигается только при кольцевом расположении излучателей, что приводит к неоправданно большим экономическим затратам в случае необходимости глубокого заложения излучателей. Предлагаемая здесь ППМ АФАР должна обеспечивать повышение эффективности (КУ) и снижение материальных затрат на построение при ее глубоком заложении в толщу земли, за счет автоматического управления структурой и внешними параметрами АФАР в зависимости от изменяющихся характеристик тракта распространения радиоволн, числа и ориентации в пространстве корреспондентов и формирования в азимутальной плоскости ненаправленной характеристики излучения одиночного БАМ.
Поставленная цель достигается тем, что в известной ППМ АФАР, содержащей блок из N 2 БАМ, каждый из которых включает пару ортогональных симметричных излучателей (ОСИ), размещенных в толще земли, и БФРК, дополнительно введены блок автоматизированного управления параметрами (БАУП) АФАР, блок из Р 2 возбудителей (БВ) и коммутатор информационных сигналов (КИС), снабженный М 1 информационными входами, являющимися соответствующими М информационными входами ППM АФАР.
На рисунке 4.9 представлена общая структурная схема предлагаемой ППМ АФАР. Р информационных выходов КИС 4 подключены к соответствующим Р информационным входам БВ 3. Р сигнальных выходов БВ подключены к соответствующим Р сигнальным входам БФРК 2. N сигнальных выходов БФРК подключены к соответствующим N сигнальным входам ББАМ 1. Шины управляющих выходов «уровень мощности» и «регулировка мощности» БАУП АФАР 5 подключены к управляющим входам соответственно «уровень мощности» и «регулировка мощности» ББАМ. Шины управляющих выходов «затухание», «коррекция уровня сигнала», «фаза» и «радиоканал» БАУП АФАР подключены к управляющим входам соответственно «затухание», «коррекция уровня сигнала», «фаза» и «радиоканал» БФРК. Шины управляющих выходов «возбудитель» и «информационный сигнал» БАУП АФАР подключены к управляющим входам соответственно «возбудитель» БВ и «информационный сигнал» КИС. БАУП АФАР снабжен шиной «исходные данные», обеспечивающей ввод исходных данных. В каждом из БАМ 1.1 ортогональные симметричные излучатели возбуждены равноамплитудно в фазовой квадратуре.
В ББАМ дополнительно введены измеритель мощности (ИМ) 1.2 и широкополосный усилитель мощности (ШПУМ) 1.3, N сигнальных входов которого являются соответствующими N сигнальными входами ББАМ. N сигнальных выходов ШПУМ подключены к соответствующим N сигнальным входам ИМ, N сигнальных выходов которого подключены к входам соответствующих пар ОСИ 1.11 – 1.1N. Управляющие входы ИМ и ШПУМ являются управляющими входами соответственно «уровень мощности» и «регулировка мощности» ББАМ. БФРК состоит из аттенюатора 2.1, усилителя-корректора (У-К) 2.2, фазовращателя 2.3 и высокочастотного коммутатора (ВЧК) 2.4, N сигнальных выходов которого подключены к соответствующим N сигнальным входам фазовращателя. Р сигнальных входов ВЧК являются соответствующими Р сигнальными входами БФРК. N сигнальных выходов фазовращателя подключены к соответствующим N сигнальным входам У-К. N сигнальных выходов У-К подключены к соответствующим N сигнальным входам аттенюатора, N сигнальных выходов которого явля 135 ются N сигнальными выходами БФРК. Управляющие входы аттенюатора, У-К, фазовращателя и ВЧК являются управляющими входами соответственно «затухание», «коррекция уровня сигнала», «фаза» и «радиоканал» БФРК. БАМ установлены с центральной симметрией вдоль взаимно ортогональных осей. М1 информационных входов (и1, и2, и3, ..., им) КИС 4 являются соответствующими М информационными входами ППМ АФАР. В КИС j-й информационный выход иj, где j = 1, 2, 3, ..., Р, подключен к иj-му информационному входу БВ, сj-й сигнальный выход которого подключен к сj-му сигнальному входу БФРК. Таким образом, КИС предназначен для обеспечения коммутации любого из М информационных входов на информационный вход любого из Р возбудителей. Каждый j-й выход КИС и соответствующий ему j-й информационный вход БВ соединены Р-разрядной шиной. В БФРК сi-й сигнальный выход, где i = 1, 2, ..., N, а N 2 подключен к сi-му сигнальному входу ББАМ. ББАМ предназначен для усиления подводимой к каждой из пар ОСИ 1.1 мощности до заданного уровня, непрерывного контроля этого уровня мощности и преобразования энергии высокочастотных (в.ч.) токов в энергию свободно распространяющихся электромагнитных волн (ЭМВ).
ББАМ состоит из N пар ОСИ 1.11 - 1.1N . Вход i-й пары ОСИ 1.1i подключен к сi-му сигнальному выходу ИМ, сi-й сигнальный вход которого подключен к ci-му сигнальному выходу ШПУМ. N сигнальных входов (c1, c2, c3,…, cN) ШПУМ являются соответствующими N сигнальными входами ББАМ. Каждый i-й сигнальный выход ИМ подключен к соответствующей паре ОСИ, через делитель (на рисунке 4.9 не показан), который предназначен для равного деления мощности с выхода сi ИМ на входы двух симметричных вибраторов, образующих i-ю пару ОСИ 1.1i. Ортогональные симметричные излучатели в каждой паре возбуждены равноам-плитудно в фазовой квадратуре, т.е. со сдвигом по фазе 90.