Защищенные приземные и подземные антенны УКВ диапазона

Целью работы является разработка методологии проектирования приземных и подземных антенн УКВ диапазона волн, основные характеристики которых позволяют обеспечить устойчивое функционирование систем управления при изменении проводимости подстилающей поверхности, а также – при мощных механических воздействиях. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач: анализа современного состояния и перспективных тенденций развития теории, техники и технологий производства приземных и подземных антенн, входные характеристики и направленные свойства которых слабо зависят от проводимости почвы, а механические свойства – позволяют функционировать при сверхмощных механических воздействиях, а также – при нагреве и воздействии ионизирующих облучений; анализа перспективных путей построения электрически малых антенн УКВ диапазона, связанных с использованием метаматериалов и импедансно-согласованных сред; создания методики проектирования малогабаритных приземных антенн УКВ диапазона, электрически изолированных от заземленных стоек, на вершинах которых размещены композитные капсулы, предназначенные для размещения антенн СВЧ диапазона волн; разработки и исследования монополей, защищенных от воздействия сверхмощных электромагнитных импульсов, за счет короткого замыкания их входа по постоянному току, механическая прочность и тепловая устойчивость которых существенно выше, чем у несимметричных вибраторов, электрически изолированных от подстилающей поверхности; разработки и исследования многолучевых полноазимутальных антенн УКВ диапазона в виде осесимметричной линзы в форме усеченного конуса, в качестве материала которой используется мраморный или гранитный щебень, облучаемой системой монополей, или – электрически малых излучателей спирального типа; разработки и исследования малогабаритных подземных антенн УКВ диапазона, стабильно функционирующих при изменении проводимости почвы, устойчивых к при мощным механическим воздействиям, качество согласования с фидерной линией и диаграмма направленности которых существенно не изменяются при навале дополнительного слоя почвы толщиной до 1 метра над антенной, а также - отвечающих требованию возможности заводского изготовления их основных узлов, легкости транспортировки к месту эксплуатации и простоте монтажа; разработки методики диагностики степени неоднородности материальных параметров изоляционного материала подземной антенны, основанной на процедуре аппроксимации пространственного распределения электромагнитного поля, измеренного в ряде точек контура, ограничивающего анализируемую область пространства; проведения натурных испытаний макетов разработанных приземных и подземных антенн, их конструкторской и технологической проработки с учетом условий эксплуатации. В рамках проведенных исследований была разработана методология проектирования приземных и подземных антенн УКВ диапазона волн, основные характеристики которых позволяют обеспечить устойчивое функционирование систем управления при изменении проводимости почвы в широких пределах, при нахождении антенн вблизи источника мощных механических воздействий, а также – при навале слоя почвы толщиной до 1 метра. Основными результатами диссертации являются: 1. Проведен анализ современного состояния и перспективных тенденций развития теории, техники и технологий производства приземных и подземных антенн, входные характеристики и диаграмма направленности которых слабо зависят от проводимости почвы, при мощных механических воздействиях, а также – при навале слоя почвы. Проведен анализ перспективных путей построения электрически малых антенн УКВ диапазона, связанных с использованием метаматериалов и импедансно-согласованных сред. 2. Выяснено, что в качестве импедансно-согласованной среды, характеристическое сопротивление которой незначительно отличается от характеристического сопротивления воздуха, благодаря чему на границе раздела сред не возникает существенных отражений, в УКВ диапазоне частот могут использоваться ферриты, относительные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей которых незначительно отличаются. Размещение вибраторной антенны в шаре из феррита, диаметр которого в 1.6 раза больше длины антенны, позволяет уменьшить размеры излучателя, более, чем в коэффициент преломления раз, при этом платой, за уменьшение размеров антенны более, чем в 20 раз, является снижение ее коэффициента полезного действия на 6 дБ, а также – сужение полосы рабочих частот при сохранении качества согласования с фидерной линией, что согласуется с критерием Чу-Харрингтона. 3. Разработана методика проектирования малогабаритных приземных антенн УКВ диапазона в виде двухзаходной плоской спирали с переменной шириной плечей, а также – трехзаходной спирали, плечи которой замкнуты на металлические кольца, электрические размеры которых составляют около 0.02 длины волны, что позволяет разместить их в капсулах, предназначенных для установки антенн СВЧ диапазона волн на вершинах аттестованных металлических стоек. 4. Разработана методика проектирования монополей, внутренняя, или – внешняя мощная механическая опора которых соединена с металлической подстилающей поверхностью, защищенных от воздействия мощных электромагнитных излучений, за счет короткого замыкания по постоянному току их входа, и характеризуемых существенно большей механической прочностью, чем несимметричный электрический вибратор, изолированный от подстилающей поверхности. 5. Разработана методика проектирования многолучевых полноазимутальных антенн УКВ диапазона в виде осесимметричной линзы в форме усеченного конуса, в качестве материала которой используется мраморный или гранитный щебень, облучаемой системой монополей, или – иными электрически малыми излучателями. Показано, что при диаметре линзы около 3.5-4.5 длин волн потери мощности в ней не превышают 2-3.4 дБ, а коэффициент направленного действия каждого лепестка многолепестковой диаграммы направленности может достигать 15.5 дБ в низкочастотной области УКВ диапазона. 6. Разработана методика проектирования малогабаритных подземных антенн УКВ диапазона, входное сопротивление и диаграмма направленности которых незначительно изменяются при изменении проводимости почвы и толщине слоя ее навала, технология производства которых позволяет изготавливать их основные узлы в заводских условиях, характеризуемых легкостью транспортировки к месту эксплуатации и простотой монтажа. Разработаны конструкции подземных антенн резонаторно-щелевого типа, антенны в виде патч- излучателя с метаматериальной подложкой, а также – нескольких вариантов Архимедовской двухзаходной спирали над экраном, один из которых отличается возможностью изготовления обоих плечей спирали из аттестованного, на возможность эксплуатации вблизи источника мощных механических воздействий, коаксиального кабеля с неразрывным внутренним проводником, что обеспечивает дополнительную механическую прочность конструкции антенны. 7. Разработана методика оценки степени неоднородности изолятора подземной антенны, основанная на анализе пространственного распределения реальной части вектора Пойнтинга, концентрация линий которого резонансным образом увеличивается в области полуволнового резонанса проводящих неоднородностей, и резонансным образом уменьшается в области их волнового резонанса. Для вычисления пространственного распределения вектора Пойнтинга используется процедура пространственной аппроксимации электрической компоненты электромагнитного поля, проводимая с использованием электродинамического принципа эквивалентных полей и токов, реализованная с помощью введения системы вспомогательных источников поля. При этом методика не использует априорной информации о пространственном распределении материальных параметров среды в анализируемой области. 8. Проведены конструкторская и технологическая проработка с учетом условий эксплуатации, изготовлены действующие макеты большинства разработанных приземных и подземных антенн, проведены натурные экспериментальные исследования их электрических характеристик в полевых условиях, в том числе – при навале дополнительного слоя почвы, а также - при заливке водой. Полученные результаты натурных экспериментов подтверждают основные результаты численных электродинамических расчетов, в ходе которых учитывались материальные параметры материалов антенн и почвы. Перспективы дальнейшей разработки темы диссертации связаны с серийным производством приземных и подземных антенн УКВ диапазона для систем управления и их совершенствованием с учетом опыта эксплуатации.