ПОДЗЕМНЫЕ АНТЕННЫ ДЛЯ СЕКРЕТНЫХ РАДИОЦЕНТРОВ

[EU1WW]

ПОДЗЕМНЫЕ АНТЕННЫ ДЛЯ СЕКРЕТНЫХ РАДИОЦЕНТРОВ

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 помехозащищенных
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 Фредгольма
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 ресурсоемкость
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 диэлектрическом
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 диссипативных
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 Feko 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 излучателя.
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 диссипативной
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
Основные результаты по теме диссертационного исследования докладывались
на XV-й научно-технической конференции ВМИРЭ им. А.С. Попова (СПб.,
2004) и на Всеармейских научно-практических конференциях «Инновационная
деятельность в ВС РФ» (СПб., 2004, 2005, 2006, 2007, 2009).
По тематике диссертационных исследований автором (лично и в соавторстве)
опубликовано 15 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 информационноаналитическим
сборнике по научным открытиям, идеям и гипотезам, в 7 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.

[EU1WW]

1 АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ И ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОДЗЕМНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ
1.1 Анализ основных требований к подземным антенным системам
Как уже было отмечено во Введении, подземные антенные системы применяются
в составе технических средств радиосвязи диапазона ДКМВ в тех случаях,
когда этого требуют особенности назначения и применения соответствующих систем
и объектов [6, 7, 11].
Важнейшим условием применения таких антенн (антенных систем) является
возможность возникновения экстремальных механических, термических, химических,
радиационных, электромагнитных и иных внешних воздействий на объект, а
важнейшим требованием к ним – достаточно высокая стойкость к таким воздействиям.
Номенклатура воздействий и численные значения параметров, характеризующих
стойкость к этим воздействиям, определяется в соответствующем разделе
тактико-технического (ТТЗ) или технического задания (ТЗ), со ссылками, при
необходимости, на национальные стандарты и другие документы системы технического
регулирования.
Разумеется, к подземным антеннам, как и к любым другим, предъявляются
требования по назначению, характеризующие, вообще говоря, способность антенны
излучать (принимать) электромагнитные волны и регламентирующие, как
минимум [44, 57]:
- диапазон рабочих частот;
- номинальное входное сопротивление;
- уровень согласования (коэффициент бегущей волны – КБВ или коэффициент
стоячей волны по напряжению – КСВН);
- максимальную вмещаемую мощность;
- вид (форму) диаграммы направленности;
- коэффициент направленного действия (КНД);
- коэффициент усиления;
- вид поляризации излучаемых (принимаемых) волн;
- требования назначения к параметрам составных частей – излучающей системы,
фидеров, согласующих и симметрирующих устройств (диапазоны рабочих
частот, собственный КБВ, потери мощности, коэффициент асимметрии, вмещаемая
мощность при заданном КБВ нагрузки, быстродействие при перестройке или
коммутации и др.);
- способы контроля, индикации и управления параметрами антенны и требования
к соответствующим подсистемам (блокам).
К подземным антеннам, как и к антеннам других типов, предъявляются требования
удобства технического обслуживания и ремонта. Собственно излучающая
система антенны в большинстве случаев (см. ниже п.1.2) выполняется необслуживаемой
и недоступной для каких-либо действий с ней без разрушения защитного
укрытия. Составные части антенной системы, требующие обслуживания,
присутствия персонала и т.п. (согласующие, фазирующие, управляющие, индикаторные
и иные подобные устройства) обычно размещаются вместе с приемопередающим
оборудованием объекта в защищенных (заглубленных) помещениях соответствующей
стойкости.
К подземным антеннам и объектам в целом достаточно часто предъявляются
требования эффективного маскирования, минимизации оптической, радиолокационной
и иной заметности, так чтобы обнаружить, а тем более идентифицировать
объект было невозможно средствами авиационной, космической, агентурной
или радиоэлектронной разведки. В ряде случаев, вплоть до момента активизации
объекта по соответствующему приказу, выход в эфир в режиме излучения не допускается.
Объект работает только на прием [50, 51].
Нетрудно убедиться, что требования носят противоречивый характер.
В частности, улучшение параметров стойкости к внешним воздействиям предполагает
увеличение глубины заложения излучающей системы. Это в свою очередь
снижает КПД, а значит и коэффициент усиления антенны, поскольку среда распространения
волн (диэлектрик защитного укрытия, а тем более окружающий
грунт) является существенным образом диссипативной, и с увеличением глубины
заложения потери быстро возрастают [17, 49, 77].
Схематично структура типичной излучающей системы и ее расположение
относительно поверхности земли [9, 12, 21] соответствуют приведенным на рисунке
1.1.
Очевидно, что подобные антенны способны эффективно излучать энергию
лишь в верхнюю полусферу с относительно малыми полярными углами (θ <
45…60°). Излучение в указанном диапазоне углов за счет отражения декаметровых
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.).
Свободное пространство
Антенная система
Диэлектрик
Окружающая
среда (грунт)
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 односкачковых
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 антенно-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).
Излучение по ионосферным трассам, помимо ограничений на применяемую
поляризацию, накладывает существенные ограничения на рабочий диапазон применяемых
частот. Исходя из общефизических соображений [36], представляется
целесообразным использовать часть диапазона ДКМВ до 10 МГц включительно.
Однако в литературе опубликованы решения с несколько более широким диапазоном
[11, 12], а именно от 1.5 до 12 МГц. В дальнейшем, при электродинамическом
анализе антенн, будем ориентироваться только на ДКМВ диапазон, а именно
от 3 до 12 МГц.

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

В открытой печати, существующие решения подземных антенн описаны достаточно
скупо. Вероятно, причиной тому является обеспечение государственной
безопасности, а не низкий уровень заинтересованности. Тем не менее, обзор литературы
показал наличие, как минимум, нескольких источников, описывающих
конкретные технические решения подземных антенных систем [12, 55, 65, 82, 83,
91, 97, 98, 118,]. Из них часть посвящена техническим решениям излучающих систем,
общий вид которых приведен на рисунках 1.5 [55], 1.6 [118], 1.7 [82], 1.8
[83], часть электрическим схемам излучающих систем (рисунки 1.9-1.14) [65, 91,
97, 98], и часть особенностям построения антенно-согласующего устройства для
подземных антенн [12]. В дальнейшем будем анализировать характеристики систем
связи, описанных в данных источниках.
Несколько приведенных технических решений излучающих систем подземных
антенн являются изолированными нешунтированными вибраторами, т.е. располагаются
в «хорошем» диэлектрике, например, асфальто-бетоне [55, 98, 118].
Еще одно техническое решение представляет собой совокупность короткозамкнутых
изолированных вибраторов [82], а техническое решение [83] представляет собой
ортогональные плоские вибраторы с треугольными плечами. Кроме того,
особняком следует выделить класс электрических схем подземных антенных систем
на основе пластинчатых вибраторов, где имеет место распространение как
продольных, так и поперечных волн [65, 91, 97, 98].
Это автоматически позволяет удовлетворить следующие требования:
- Малозаметность;
- Механическая и коррозионная стойкость.
Вышесказанное также подразумевает выполнение требований по малозаметности,
в силу расположения антенн ниже уровня земли, т.е. обнаружение системы
ДКМВ связи возможно только при режиме работе антенны на передачу.
Отсутствие шунтов в технических решениях [55, 65, 91, 97, 98 118] приводит
к тому, что по постоянному току антенна является разомкнутой, что в свою
очередь, позволяет контролировать состояние, как самой антенны, так и окружающего
ее диэлектрика. Оставшиеся технические решения [82, 83] является короткозамкнутыми
по постоянному току, что в значительной мере осложняет контроль
окружающего ее диэлектрика. Подробно данный вопрос был освещен в
подразделе 1.1.
Расположение подземных антенн в диэлектрике с достаточно низкими потерями
(электропроводность стремится к нулю) вкупе с дренажной системой [55,
118], позволяет повысить срок службы и качество таких антенн, путем существенного
замедления коррозии. Кроме того, у расположенных таким образом
изолированных антенн, имеет место, значительное повышение антенных характеристик,
в частности, характеристик излучения, за счет уменьшения токов проводимости,
утекающих во внешнюю среду. Технические решения [82, 83] дренажной
системы не имеют.
Все технические решения подземных антенн, кроме некоторой части решений,
изложенной в [65, 91, 97, 98] (рисунки 1.9, 1.10), за счет взаимного расположения
вибраторов позволяют излучать волны с эллиптической поляризацией, что
удовлетворяет требованиям, приведенным в подразделе 1.1.
Проанализируем электрофизические характеристики существующих антенных
решений. Характеристики направленности представленных антенн достаточно
близки как в смысле формы, главного направления излучения, так и в смысле
абсолютного значения. Стоит отметить, что вышесказанное является справедливым
при отсчете характеристик направленности относительно плоскости антенны.
В азимутальной плоскости диаграмма направленности в рабочем диапазоне является
близкой к круговой с неравномерностью, не превышающей ± 3 дБ. В вертикальной
плоскости диаграмма направленности имеет единственный лепесток,
направленный в зенит, ширина которого равна 90° по уровню -3 дБ. Диаграммы
направлености существующих антенных решений [55, 118] приведены на рисунках
1.15 [55] и 1.16 [118]. В рассматриваемых источниках приведены нормированные
диаграммы направленности, поэтому для восстановления значений
напряженностей электромагнитного поля необходима дополнительная информация.
Такую информацию содержит коэффициент усиления (КУ), который является
численной оценкой характеристики направленности антенны (1.1). В работе
[55] приведены значения коэффициента усиления в зависимости от электрофизических
свойств окружающей (диссипативной) среды. В частности, данные значения
приведены на рисунке 1.17 [55].

[EU1WW]

Важным требованием также является обеспечение широкополосности применяемых
антенных решений, т.е. обеспечение стабильных импедансных характеристик
во всем рабочем диапазоне частот. Приемлемый набор импедансных характеристик,
в том числе, зависит от характеристического сопротивления питающего
фидера. Для упрощения анализа, удобно применять не сами величины импедансов,
а определенные характеристики, зависящие как от параметров фидера, так
и от параметров самой антенны. Такой характеристикой обычно является коэффициент
бегущей волны (КБВ) (1.2). Приведенные значения коэффициента бегущей
волны [55], на рабочей частоте не меньше 0.4, что означает достаточно неплохой
уровень согласования.
Вопросы согласования являются достаточно важными. В всех случаях хорошее
согласование наблюдается в трехкратном диапазоне частот, что обусловлено
применением антенных согласующих устройств (технологических приемов). В
[55] применяются антенно-согласующие устройства в основу которых положен П
– контур, реализованный на сосредоточенных элементах. Подробные технические
решения данных АнСУ рассмотрены в [22, 46, 47]. В работах [82, 83] хороший
уровень согласования обеспечивается путем равномерного распределения мощностей
по плечам симметричных вибраторов. Таким образом, можно сказать, что
роль согласующего устройства, в данной конструкции, играют делители мощности
и фазовращатели.
Температурный рабочий диапазон всех технических решений подземных
антенн практически идентичен и соответствует требованиям, приведенным в подразделе 1.1.
Таким образом, опубликованная конструкция подземных антенных систем
имеют много общего, но вместе с тем, присутствуют и различия.
Например, конструкции подземных антенных систем, изложенных в [55, 82,
83], подразумевают, что излучающая система и передатчики разнесены в пространстве,
в то время как, конструктив излучающей системы, приведенный в патенте
[118], находится непосредственно вблизи передатчика.
Кроме того, излучающие системы [55, 82, 83] являются одноярусными и
предполагают минимальный уровень залегания (менее 1 м). Решение, приведенное
в [118], двухярусное, уровень залегания которого значительно превышает 1 м.
Наконец, это конструктивное различие излучающих систем. Например, излучающие
системы [55, 82, 118] и часть [65, 91, 97, 98] представляют собой проволочные вибраторы
(или их совокупность), а излучающие системы [65, 83] –
пластинчатые элементы.
Таким образом, в настоящее время разработаны несколько конструктивных
решений изолированных подземных антенн и систем связи на их основе, удовлетворяющих
требованиям, изложенных в подразделе 1.1.

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

Как уже было сказано в подразделе 1.1, в период эксплуатации подземные
антенны, как правило, не используются в передающем режиме. Также, в связи с
трудоемкостью и дороговизной, не представляется возможным проводить эксперименты
по определению антенных характеристик. Поэтому единственно возможным
способом определения антенных характеристик является математическое
моделирование (электродинамический анализ), выполняющееся с помощью различных
методов и программных средств на их основе.
Существует ряд отечественных и зарубежных комплексов реализующие
вышеизложенные методы. Среди отечественных, хотелось бы отметить разработанные
в АО «Концерн «Автоматика» программные комплексы SCATER и SAMANT
[79, 80], которые используются для решения задач электродинамического
анализа.
Среди зарубежных программных комплексов хотелось бы отметить Feko,
CST Studio, AWR MicroWave Office. ПК Feko предназначен, главным образом,
для электродинамического анализа антенн, AWR MicroWave Office – для анализа
электрических цепей, а CST Studio содержит в себе программные реализации,
предназначенные для решения широкого класса задач.
В зависимости от вида электродинамической задачи, точнее, от типа предлагаемой
модели, а также от требований к точности полученного решения, все
методы электродинамического анализа можно условно разделить на две большие
группы: методы, в которых используются точные модели, и, соответственно, методы,
использующие приближенные модели. В ряде случаев, из соображений
сравнительно меньшей ресурсозатратности, электродинамическую задачу можно
решить, используя обе группы приведенных методов, т.е. их комбинацию. Методы,
в основу которых положена комбинация точных и приближенных методов,
получили название – комбинированные методы (рисунок 1.18).
Приближенные методы особенно эффективны при анализе рассеивателей в
виде поверхностей вращения (параболоиды, гиперболоиды и т.д.), которые в подземных
антеннах ДКМВ диапазона не встречается. Данные методы, чаще всего,
основаны на квазиоптических моделях [3, 94, 110]. Среди приближенных методов
стоит особенно отметить, методы физической оптики (ФО), геометрической оптики
(ГО), краевых волн и геометрической теории дифракции (ГТД). Говоря о достоинствах
данных методов, прежде всего, необходимо отметить их сравнительно
малую вычислительную сложность.
Среди приближенных методов стоит отметить метод физической оптики
(ФО), который обеспечивает приемлемый результат при анализе слабо искривлённых
поверхностей. Результатом электродинамического анализа данным методом
будет функция распределения тока. Особенность метода заключается в том,
что с точки зрения постановки задачи, он достаточно близок к точным методам,
использующим интегральные уравнения.
Приближенные методы тем или иным образом нашли свое применение во
всех вышеперечисленных программных комплексах.
Помимо приближенных методов существуют методы, использующие точные
модели, которые обеспечивают в идеале точное решение, но при этом весьма
требовательны к вычислительным ресурсам. Такие методы получили название
точных методов. Точные методы, в свою очередь, можно также условно разделить
на несколько групп, в зависимости от способа анализа модели.
К первой группе следует отнести методы, основанные на непосредственном
решении дифференциальных уравнений, получаемых из системы уравнений
Максвелла (1.3).
Методы, реализованные на основе решения дифференциальных уравнений,
получаемых из (1.3), имеют реализацию в составе таких программных комплексов
как Feko, CST Studio и AWR MicroWave Office.
Вышеупомянутые дифференциальные уравнения могут быть получены относительно
векторов напряженности, либо электрического, либо магнитного поля.
Кроме того, имеется возможность получить дифференциальные уравнения относительно
векторного и скалярного потенциалов [73]. Выбор дифференциального
уравнения относительно какой-либо функции зависит только от вида конкретной
электродинамической задачи. Следует отметить, что данные методы показали
наибольшую эффективность при решении внутренних электродинамических задач.
Решение подобных дифференциальных уравнений или систем дифференциальных
уравнений обычно производиться с помощью численных методов, таких
как, метод Эйлера (либо модифицированный метод Эйлера), метод Рунге-Кутта и
пр. [38].
Перейдем теперь к рассмотрению «точных» методов, получивших
наибольшее распространение. Данные методы основаны на использовании интегральных
уравнений (ИУ).
Методы, основанные на решении интегральных уравнений включены в состав
программных комплексов SCATER, SAMANT, Feko и CST Studio.
Точность решения методами интегральных уравнений обеспечивается,
прежде всего, строгой постановкой электродинамической задачи, что в свою очередь,
позволяет применять их для исследования различных случаев дифракции.
Широкое распространение данных методов обусловлено их эффективностью при
электродинамическом анализе материальных тел, в частности, проводников, размещенных
в однородной изотропной среде (диэлектрике). Такой сценарий является
типичным при анализе антенн, что автоматически увеличивает значимость
данной группы методов для теории и практики проектирования антенн.
При решении интегральных уравнений (полученных в результате сведения
к ним задачи дифракции) возникают значительные трудности, связанные в
первую очередь с векторной формой уравнений, в то время как все существующие
вычислительные комплексы работают со скалярными величинами. В свою очередь,
это приводит к усложнению вычислительного процесса, а, следовательно, и
к повышению ресурсозатратности.
При электродинамическом анализе некоторых типов антенн такое усложнение
является излишним. Например, при анализе антенн, состоящих из проводников,
диаметр которых значительно меньше длины волны, целесообразно ввести
ряд допущения для упрощения вычислительного процесса, при сохранении приемлемой
точности полученного решения. Одним из возможных комплексов допущений
является тонкопроволочное приближение [20], суть которого, заключается
в переходе от функций векторной переменной, входящих в интегральные
уравнения, к функциям одной скалярной переменной.
В зависимости от вводимых допущений, группу методов интегральных
уравнений можно также условно разделить на следующие подгруппы:
- Методы ИУ в тонкопроволочном приближении, основанные на интегральных
уравнениях Фредгольма первого рода [32, 57, 105].
Под тонкопроволочным приближением будем понимать приближение эквивалентного
осевого тока. Следовательно, производится учет только продольных
составляющих поля и тока. Последнее накладывает ограничение на область применения
тонкопроволочного приближения.
На данный момент широко известны следующие виды интегральных уравнений
Фредгольма первого рода в токопроволочном приближении:
- Интегральное уравнение Поклингтона, в основу вывода которого положено
применение лоренцевой калибровки [73].
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]
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 неосесимметричном
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.
Данный метод получил широкое развитие в программных комплексах AWR
MicroWave Office и CST Studio.
Основными достоинствами данного метода является его универсальность, а
также устойчивость полученного решения. Причем в ряде случаев, например, для
электродинамического анализа слабоизлучающих систем, он обеспечивает больший
выигрыш, нежели сингулярные методы.
Недостатком, в свою очередь, является значительная ресурсоемкость, т.к.
при одинаковых условиях, порядок решаемых систем алгебраических уравнений
будет значительно выше.
При наличии сложной антенной системы, имеющей в своем составе как
проводники, так и поверхности рассеивания, для уменьшения объемов вычислений,
имеет смысл декомпозиция задачи и последующем анализе различными методами.
При этом, конечно же, необходимо учитывать взаимовлияние между элементами.
Такой подход реализуется, так называемыми, комбинированными методами
[16, 18, 19, 22], которые являются комбинацией вышеизложенных методов. Данные
методы позволяют значительно уменьшить объем вычислений в ряде случаев,
при том, что точность решения практически не изменится.
Как уже упоминалось выше, приближенные методы входят во все упомянутые
программные комплексы, наряду с, как минимум, одной реализацией точных
методов. Поэтому можно сказать, что они все, в той или иной форме, используют
комбинированные методы.
Рассмотрим кратко методы решения интегральных уравнений. Широкое
распространение получили проекционные методы, в основе которых лежит процесс
Бубнова – Галеркина [73, 105]. Главная идея проекционных методов основывается
на сведении интегральных уравнений к системе линейных алгебраических
уравнений. Это выполняется путем разложения в ряд неизвестной функции по
набору ортогональных функций (базисных и весовых) и требования обеспечения
равенства нулю получаемой невязки в точках решения. Вообще говоря, соблюдение
требований к ортогональности базисных и весовых функций не является необходимым,
дастаточно, чтобы данные функции были линейно независимыми
[20]. Такой, более общий, подход получил в литературе название метода моментов.
Вид соответствующей системы линейных алгебраических уравнений представлен
ниже
Необходимо также отметить, что эффективность данных проекционных методов
в наибольшей мере зависит от выбора базисных и весовых функций, который
будет влиять как на точность полученных решений, так на ресурсоемкость.
Данные проекционные методы, в частности, метод моментов нашел свою
реализацию в программных комплексах Feko, CST Studio и AWR MicroWave Office.
А проекционный процесс Бубнова – Галеркина лежит в основе реализации
программных комплексов SAMANT и SCATER.
Таким образом, были рассмотрены наиболее распространенные методы
электродинамического анализа антенных систем. Было приведено их краткое описание
и их особенности. Кроме того, были выявлены их достоинства недостатки.
Также были проанализированы методы решения интегральных уравнений.
В настоящее время для электродинамического анализа подземных антенн
известны методы, основанные как на методах обобщенных эквивалентных цепей
[45], так и на модифицированных уравнениях Максвелла [56].
Следует отметить то, что при решении задач электродинамического анализа
подземных антенн можно использовать любой из вышеизложенных «точных» методов.
Как известно, подземные антенны размещаются в диссипативных средах, в
связи с этим, при решении задач электродинамического анализа возникает ряд
трудностей, таких как, необходимость учета электрофизических свойств данной
среды, а также возникновение дополнительных границ разделов сред, на которых
должны выполняться соответствующие граничные условия.
В первом случае, используется сеточное моделирование диссипативной
среды с переходом от объемных токов к системе линейных токов. Во втором же
случае, в первых двух уравнениях Максвелла предполагается наличие дополнительных
слагаемых, описывающих границы разделов сред.
Общей особенностью приведенных выше методов и зарубежных программных
комплексов заключается в том, что в них непосредственно учитываются все
границы разделов сред, что в свою очередь, приводит к усложнению, как математического
описания модели, так и вычислительного процесса.
Кроме того, существенным недостатком зарубежных программных комплексов
является их дороговизна. Данные программные комплексы могут позволить
себе лишь крупные специализированные предприятия, что существенно
ограничивает круг потенциальных пользователей.
Помимо вышеперечисленных методов, в настоящее время существует ряд,
так называемых, классических методов электродинамического анализа подземных
антенн, разработанных в начале тысяча девятьсот шестидесятых годов как отечественными
[30, 65, 75, 91], так и зарубежными авторами [111-113, 115, 117]. В них
рассматриваются как антенны непосредственного заложения (неизолированные
антенны), так и изолированные антенны, которые, чаще всего, представляются в
виде эквивалентных линий. В последнем случае для упрощения расчетов вводится
ряд упрощений. В частности, пренебрегают дополнительной границей раздела
сред. Помимо этого считается, что постоянная распространения и волновое сопротивление
не зависят от расстояния до границы раздела сред. В связи с этим,
возникает ограничение на толщину приповерхностного слоя, соответствующее
границам применимости вышеуказанных допущений. А именно она должна быть
более нескольких диаметров проводника.
Далее будут приведены общие соотношения для расчета основных электрических
характеристик подземных антенн (как изолированных, так и неизолированных),
таких как, функция распределения тока и входное сопротивление в рамках
использования классических методов [62]
Таким образом, знание функции распределения тока по антенне, позволяет
рассчитать полный набор электрических характеристик антенн.
Особенностью данных методов является то, что приемлемая точность вычислений
данными методами достигается при анализе электрически коротких
вибраторов.
Стоит отметить, что на данный момент программных комплексов, в основу
которых положены данные классические методы электродинамического анализа
подземных антенн, не существует.
Далее (в разделе 2) будет рассмотрен метод, свободный от недостатков
непосредственного учета всех границ разделов сред, которые, с точки зрения
пользователя, приводят к усложнению процесса построения электродинамической
модели подземных антенн. В тоже время, в данном методе не применяются достаточно
грубые упрощения, как в классических методах, описанных выше, вслед-
ствие чего область применимости данного метода будет шире, а точность вычислений
будет выше.

[EU1WW]

1.4 Выводы по разделу

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. Соответственно, важнейшим требованием к подземным антеннам является
требование высокой стойкости.
Уточнена минимальная номенклатура требований по назначению, включающая
диапазон рабочих частот, номинальное входное сопротивление, минимальный
КБВ, максимальную вмещаемую мощность, вид диаграммы направленности,
КНД, коэффициент усиления, вид поляризации, требования к параметрам составных
частей, требования к контролю, индикации и управлению.
Уточнены ограничения, связанные с требованиями удобства технического
обслуживания и ремонта, а также с требованиями разведзащищенности.
Показано, что требования к подземным антеннам носят противоречивый характер.
В частности, улучшение параметров стойкости к внешним воздействиям
предполагает увеличение глубины заложения излучающей системы, что в свою
очередь, сказывается на снижении коэффициента усиления антенны.
Установлено, что наиболее распространенным является вариант построения
излучающей системы в неразборном монолитном диэлектрическом укрытии
(«изолированная антенна»). При этом 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.
Обоснована особая важность адекватности математического моделирования,
точности и достоверности полученных результатов применительно к задачам
разработки подземных антенн.
Показана необходимость включения в состав антенн согласующих и симметрирующих
устройств. 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.
В частности, рассмотрены технические решения турникетных излучающих
систем подземных антенн на основе: изолированных нешунтированных вибраторов,
помещенных в укрытие из монолитного асфальтобетона; короткозамкнутых
изолированных вибраторов; плоских вибраторов с треугольными плечами. Все
указанные технические решения подземных антенн позволяют излучать волны с
эллиптической поляризацией.
Расположение подземных антенн в диэлектрике с достаточно низкими потерями
(электропроводность стремится к нулю) вкупе с дренажной системой позволяет
повысить срок службы и качество таких антенн, путем существенного замедления
коррозии.
Анализ приведенных в источниках электрофизических характеристик рассмотренных
антенн показал, что их характеристики направленности достаточно
близки как в смысле формы, главного направления излучения, так и в смысле абсолютного
значения. В азимутальной плоскости диаграмма направленности в рабочем
диапазоне является близкой к круговой с неравномерностью, не превышающей
± 3 дБ. В вертикальной плоскости диаграмма направленности имеет единственный
лепесток, направленный в зенит, ширина которого равна 90° по уровню
минус 3 дБ. При этом для «хорошего» диэлектрика коэффициент усиления отно-
сительно изотропного излучателя, в зависимости от частоты, находится в пределах
от минус 8 до минус 12 дБ.
Приведенные в различных источниках значения естественного КБВ не
меньше 0,6, что позволяет обеспечить согласование на рабочих частотах с помощью
АнСУ.
Выполнен анализ основных методов и существующих программных средств
моделирования и проектирования подземных антенных систем.
Показано, что методы электродинамического анализа можно условно разделить
на три большие группы: точные, приближенные и комбинированные.
Рассмотрены особенности и области применения распространенных приближенных
методов – физической оптики, геометрической оптики, краевых волн
и геометрической теории дифракции. Показано, что их применение в данном случае
малоперспективно.
В числе точных методов, которые обеспечивают в идеале точное решение,
но при этом весьма требовательны к вычислительным ресурсам, рассмотрены: методы,
основанные на непосредственном решении дифференциальных уравнений,
получаемых из системы уравнений Максвелла; методы на основе решения интегральных
уравнений, в том числе уравнений Фредгольма первого и второго рода и
сингулярных уравнений; метод обобщенных эквивалентных цепей.
Рассмотрены принципы и особенности построения комбинированных методов,
позволяющих значительно уменьшить объем вычислений в ряде случаев, при
сохранении высокой точности решения.
Рассмотрены основные методы решения интегральных уравнений, включая
проекционные методы.
Кратко рассмотрены и охарактеризованы универсальные и специализированные
программные комплексы для решения электродинамических задач, включая
отечественные (SCATER и SAMANT) и зарубежные (Feko, CST Studio, AWR).
Проанализированы имеющиеся в литературе примеры использования для
электродинамического анализа подземных антенн метода обобщенных эквивалентных
цепей и модифицированных уравнений Максвелла.
Отмечен общий недостаток рассмотренных методов, связанный с тем, что
при их использовании непосредственно учитываются все границы разделов сред,
что в свою очередь, приводит к усложнению математического описания модели и
вычислительного процесса.
Обоснована необходимость разработки простого и достаточно точного метода,
свободного от указанного недостатка.

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
АНТЕНН, РАЗМЕЩЕННЫХ В ДИССИПАТИВНОЙ СРЕДЕ

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

При использовании ДКМВ антенн в составе объектов высокой стойкости,
для надежной защиты от внешних факторов, их нередко размещают в толще приповерхностного
слоя земли, являющегося, вообще говоря, полупроводящей средой.
Антенны, размещенные таким образом, будем называть подземными антеннами
(ПА). Следует отметить, что подходы к расчету электрических параметров
ПА существенно отличаются от принципов расчета характеристик высокоподнятых
над поверхностью земли антенн, за счет необходимости учета электрофизических
свойств среды заложения.
В связи с этим возникает задача определения электрических характеристик
таких антенн с учетом электрофизических свойств среды, в которой они заложены.
В качестве решения задачи был предложен метод расчета электрических характеристик,
как одиночных вибраторов, так и фазированных антенных решеток в
различных вариантах исполнения, размещенных в диссипативных средах. Данный
метод базируется на уже известном методе моментов [32], развитом на случай линейных
антенн, образованных из неоднородных, изолированных отрезков проводников,
ориентированных произвольно друг относительно друга и размещенных
в диссипативных средах. Подход, развитый в данном методе, позволяет свести
электродинамическую 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. Таким
образом, из рассмотрения исключается дополнительная граница раздела двух
сред.
Физическая сущность метода обосновывается принципом эквивалентных
токов [37], согласно которому действительные источники поля могут быть заменены
системой эквивалентных токов, задаваемыми на поверхности, ограничивающей
область существования действительных источников поля.
Для изолированного вибратора переход к системе эквивалентных токов, с
помощью которых определяется создаваемое вибратором в произвольной точке
наблюдения электромагнитное поле, достигается введением на поверхности диэлектрического
покрытия вибратора системы эквивалентных токов проводимости,
возбуждаемых источниками сторонней электродвижущей силы (ЭДС) - , амплитуды
и фазы которых зависят от функции распределения действительного тока- 0
I в проводнике антенны.
Это эквивалентно [49] введению на диэлектрическом покрытии вибратора,
проводника с идеально проводящей поверхностью, разделенного на n + 1 электрически
малых сегментов (длиной l i ≤ ,0 25λ ) так, что ближайшие пары образуют
n диполей (длиной n l' ), распределение тока вдоль плеч которых задается экспоненциальными
функциями
Таким образом, выбран экспоненциальный базис для соседних сегментов,
образующих диполь с возбуждением в месте разреза.
На рисунке 2.1 схематически изображен изолированный проводник, разделенный
на сегменты и диполи.
Таким образом, решение электродинамической задачи о нахождении электрических
характеристик изолированного вибратора, размещенного в диссипативной
среде с произвольными параметрами, сводится к решению задачи о взаимодействии
системы токов и напряжения при выполнении граничных условий
(2.2), заключающейся в рассмотрении «внешней» ( внеш U p,внеш p I ) и «внутренней»
(внут U p ,внут p I ) частных задач и их совместном решении.
Рассмотрим решение «внешней» задачи. Согласно закону Кирхгофа падение
напряжения на каждом диполе равно сумме, собственного напряжения на диполе,
а также напряжений, наведенных остальными диполями. Аналитически решение
внешней задачи можно записать следующим образом
Решение «внутренней» задачи, согласно методу узловых токов, можно записать
в виде системы из (n+1) уравнений, описывающих «внутренний» многополюсник.
В данном случае входами многополюсника являются входные зажимы
антенны (точки приложения сторонних ЭДС), а выходами – внутренние стороны
зазоров, в которых возбуждаются напряжения внут U p
Yn0
- матрица-столбец взаимных адмитансов между входом и выходами;
[ ] Ynp - квадратная матрица взаимных адмитансов между выходами.
Следует отметить, что для многоэлементной антенной системы (антенны с
распределенным возбуждением), возбуждаемой несколькими сторонними источниками
(количество источников равно M) количество уравнений в (2.4) увеличивается
до (n+M).
Учитывая граничные условия (2.2), из выражений (2.3), (2.5) и (2.6) получаем
систему уравнений, связывающую токи и напряжения в антенне/
Таким образом, для нахождения функции распределения тока по подземной
антенне, а, следовательно, и других электрических характеристик, необходимо
определить матрицы взаимных импедансов [ ] Znp и адмитансов [ ] Ynp .
Рассмотрим два идеально проводящих проводника n и p, у которых ток сосредоточен
на оси, произвольно расположенных в декартовой системе координат
(рисунок 2.2). Данные проводники образуют углы χn и χ p
с плоскостью XOY, а их
проекции на данную плоскость – углы ψn, ψ p с осью X. Обозначим координаты
начал плеч элементарных диполей Pnx, Pny, Pnz, Ppx, Ppy, Ppz. Перейдем к локальной
системе координат. Для этого из координат проводника n вычтем координаты
проводника p, в результате чего получим новые координаты Px, Py, Pz
Данные координаты являются исходными параметрами для расчета взаимных
импедансов и адмитансов, которые определяются самой конструкцией антенны
и ее расположением относительно заданной точки отсчета.
В основу определения матрицы взаимных импедансов[ ] Znp , положен метод
наведенных ЭДС в формулировке теоремы взаимности [57, 68], которая определяет
стороннюю ЭДС, наведенную в проводнике n током ( ) p
I ξ , протекающим впроводнике p. Отношение этой ЭДС к току на входе проводника соответствует
наведенному комплексному входному импедансу. Для случая произвольно ориентированных
проводников, обтекаемых током вида (xI ) = I exp( γ− x) 0 , выражение для
расчета собственных и взаимных импедансов в декартовой системе имеет следующий
вид [60]
Таким образом, подставляя (2.9) и (2.15) в (2.7) можно определить функцию
распределения внешних токов [ ]
внеш p I , которая в дальнейшем может быть использована
для расчета электрических характеристик антенны, таких, как диаграмма
направленности (ДН), коэффициент усиления (КУ), коэффициент направленного
действия (КНД) и др.
Стоит обратить внимание, что все проделанные выше действия задают распределение
тока на половине симметричного вибратора (на одном плече). Для построения
полного распределения необходимо зеркально отобразить распределение
тока на второе плечо.
Приведенная методика расчета позволяет определить электрические характеристики
антенного устройства, выполненного как из одиночного проводника,
так и образованного системой изолированных проводников, произвольно ориентированных
друг относительно друга, с учетом особенностей электрофизических
свойств среды заложения [120].

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

В качестве проверки адекватности разработанной методики электродинамического
анализа подземных антенн (ПА), проведем сравнение результатов расчета
электрических характеристик ПА на примере тестовой модели (рисунок 2.3), рассчитанных
данной методикой, а также программным комплексом Feko 7.0.
Тестовая модель подземной антенны включает в себя симметричный вибратор
длиной L , находящийся в изоляторе с диэлектрической проницаемостью iz ε
и горизонтально погруженный внутрь полупроводящей изотропной среды, занимающей
целиком нижнее полупространство, на глубину H .
На рисунках 2.4-2.7 приведена зависимость распределения тока от координаты
на вибраторе при различной диэлектрической проницаемости среды и фиксированных
электрической проводимости и длине вибратора (σ = 0.001 и 0.01
при длине вибратора L = 2 м).
На рисунках 2.8-2.11 приведена зависимость распределения тока от координаты
на полуволновом вибраторе при различной диэлектрической проницаемости
среды и фиксированных электрической проводимости и длине вибратора (σ =
0.001 и 0.01 при длине вибратора L = 15 (λ/4) м).
Далее, в целях верификации полученных результатов, будут представлены
графики распределения тока по вибратору (тестовой модели), выполненные в
программном комплексе Feko 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 (σ = 0.001 и 0.01
при длине вибратора L = 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 (σ =
= 0.001 и 0.01 при длине вибратора L = 15 (λ/4) м).
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 σ и ε. что в свою очередь,
повышает эффективность проектирования подземных антенн.

[EU1WW]

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 капиллярнопористым
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 проницаемостью
определяемой отношением комплексной амплитуды электрической
плотности смещения и комплексной амплитуды напряженности электрического
поля
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
ε , магнитной проницаемости µ , удельной электрической проводимости σ .
Для фиксированного значения λ глубина проникновения (величина скинслоя)
определяется только значениями r
ε и σ среды.
В свою очередь, уровень потерь (степень затухания) возбужденного в полупроводящей
среде электромагнитного поля (ЭМП) зависит от величины отношения
пр см I / I - Чем больше пр см I / I , тем выше потери.
Таким образом, величина потерь волнового процесса, возбужденного в полупроводящей
среде, пропорциональна отношению значений ее макроскопических
параметров: относительной диэлектрической проницаемости r
ε и удельной
проводимости σ .
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 – Eсм . Причем, чем выше Eсм , тем
меньше соотношение пр см I / I за счет снижения удельной проводимости среды σ
в пределах локального объема.
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 ориентированных
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 Feko 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 I(х) в симметричном вибраторе, плечи
которого образованы тонкими цилиндрическими проводниками (l >> a, где l -
длина плеча вибратора, a - 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.

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
т.е. увеличением радиуса проводника - a при неизменной длине
плеча - l. Однако, уменьшение соотношения может привести к нарушению
ограничения области применимости используемого для расчетов параметров антенн
математического аппарата. Замена цилиндра большого сечения (рисунок
3.2а) сетью N проводников малого сечения (условие l˃˃a), 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 биконический
вибратор (рисунок 3.2в) в исполнении, аналогичном квазицилиндрическому.
Реализация ПА на основе объемных вибраторов оказывается неоправданно сложной
задачей при использовании современных строительных технологий.
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.
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
(ε˃˃ 60σλ) 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
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 l ≥ 0,75λср где,
λср - длина волны в среде и угле Θ = Θопт 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
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 ∆φ(ω) =∆φopt и амплитудно-фазовое распределение между вибраторами
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 Еr
, максимум которого создается
в направлении, перпендикулярном оси вибратора, и вертикально поляризованное
поле Ев , максимальное в направлении оси вибратора

При посадке антенны в диэлектрической среде (ε >> 60ϭλ) 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 Еr и вертикально поляризованных волн Ев с круговыми диаграммами
направленности в горизонтальной плоскости для каждого из них. В
точке наблюдения поля будут складываться в квадратуре
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 излучателейсоздавать
направленное излучение в сторону границы раздела сред и формировать
в верхнем полупространстве суммарное для двух поляризационных составляющих
Еr и Ев вращающееся поле Е0 с круговой диаграммой направленности в
горизонтальной плоскости
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 l, каждый из которых установлен в скважине диаметром 2R и также
длиной l, пробуренной в полупроводящем грунте, имеющем макроскопические
параметры: относительную диэлектрическую проницаемость r
ε и удельную электропроводимость
σ [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 +α и − α 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 гр d .

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
∆h = (0,4−0,6) H .
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 r ε ,
σ среды заложения антенны и максимальной длины рабочей волны λмакс могут
быть реализованы различным образом. При выполнении условия > 60σλмакс εr
проводники целесообразно выполнить неизолированными, например, в виде
оцинкованных труб диаметром 2а, а при выполнении условия < 60σλмакс εr
изолированными от среды, например, с помощью полиэтилена низкой плотности
марки 153-09K. В качестве такого проводника может быть использован отрезок
коаксиального кабеля. Длину l проводников и соответственно такую же длину
скважин выбирают с учетом укорочения максимальной длины волны λмакс в среде
из условия
Экспериментальные исследования показали, что ширина группы проводников
Tгр должна составлять T 3,0( )4,0 l
гр = − . Число К проводников в каждой
из N групп проводников, расстояние dв между ними, а также расстояние гр d
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

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 Θ = 60 ) и вертикальной ( 0 ϕ = 0 ) 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.

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.

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 N
x ,..., x 1
суммируются, образуя выходной сигнал антенной
системы (АС) y . Пример антенной решетки приведен на рисунке
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
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 регулируемые
весовые коэффициенты * wi
, в общем случае комплексные. Таким образом,
в адаптивной ФАР появляется возможность изменять суммируемые сигналы
как по фазе, так и по амплитуде.
Адаптация данной системы сводится к нахождению оптимальных весовых
коэффициентов w K wN
, 1
. Алгоритмы адаптации весового вектора (3.3) по критерию
максимизации отношения сигнал/(помеха + шум) рассматриваются в [87].
В данном параграфе и далее под антенной системой будем понимать ФАР,
способных работать как на прием, так и на передачу.
Подземные антенные устройства обращают на себя внимание не только своей
устойчивостью к механическим воздействиям (вибрационным, ветровым и
сейсмическим нагрузкам) и некоторыми специализированными эксплуатационными
характеристиками, но и возможностью построения на ограниченной площади
многоэлементных антенных систем, фазированных антенных решеток (ФАР).

Одиночный элемент подземной антенной решетки малоэффективен, но его низкая
эффективность с одной стороны компенсируется множителем решетки антенной
системы, а с другой стороны может быть минимизирована, если учитывать некоторые
особенности формирования характеристик излучения подземных антенн.
Рассмотрим варианты и возможности построения ФАР , состоящей из совокупности
базовых излучателей, изученных в п 3.1. Целью построения ФАР является
возможность формирования одного или нескольких радиоканалов с требуемыми
параметрами, необходимыми для достижения заданного энергетического
потенциала в условиях заложения базовых излучателей в полупроводящий грунт,
возможность маневра уровнем энергетического потенциала радиолинии в целом
при изменении условий поглощения в тракте распространения радиоволн, а также
при изменении ориентации или удаления корреспондентов при одновременном
обеспечении высокой устойчивости антенной системы от ударных и вибрационных
нагрузок. В данном разделе рассмотрим варианты построения излучающей
системы комплексов. Вопросам разработки оконечного оборудования, требованиям
к ним посвящен 4 раздел.
Расстояние между базовыми излучателями в антенной решетке 6 Lar = м.
На рисунке 3.22 представлена ДН в вертикальной плоскости, рассчитанная
на частотах 3, 7, 12 МГц. На рисунке 3.23 изображена ДН линейной решетки в
азимутальной плоскости ( 0 Θ = 45 ). КНД в направлении максимума излучения
имеет значение -17 дБ, -4.7 дБ, -2.5 дБ для соответствующей частоты диапазона.
Кроме того, были рассчитаны диаграммы направленности и на других частотах, в
частности, для 4, 6, 10 МГц и 5, 8, 11 МГц, которые представлены в приложении
А. На всех частотах также были рассчитаны диаграммы направленности в зависимости
от расстояния между базовыми элементами. В приложении А показаны
диаграммы направленности фазированных подземных антенных решеток, расстояния
между элементами которых равно 5 и 7 метров, соответственно.
Для оперативного изменения ДН предлагается двумерная антенная решетка,
представляющая из себя две линейные антенные решетки, рассмотренные выше,
оси которых расположены под углом 0
90 . Электродинамическая модель такой
решетки представлена на рисунке 3.24.
Две взаимно-перпендикулярные решетки разнесены по вертикали на расстояние
0.38 м.
На рисунке 3.25 представлена ДН в вертикальной плоскости на частотах 3,
7, 12 МГц. На рисунке 3.26 изображена ДН линейной решетки в азимутальной
плоскости ( 0 Θ = 45 ). КУ в направлении максимума излучения имеет значение -13
дБ, -4.8 дБ, 0 дБ для соответствующей частоты диапазона. Помимо, были рассчитаны
диаграммы направленности и на других частотах, в частности, для 4, 6, 10
МГц и 5, 8, 11 МГц, которые также представлены в приложении А.
Следует отметить, что рассмотренные выше фазированные линейные и билинейные
антенные решетки позволяют осуществлять как прием, так и передачу
сигнала.