Антенная система подповерхностного радиолокатора

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокаторах, применяемых для обнаружения подземных и подводных объектов. Техническим результатом является увеличение пространственной разрешающей способности антенной системы за счет увеличения ее широкополосности и улучшения ее согласования с исследуемой средой. Предлагаемая антенная система содержит корпус, выполненный в виде квадратной металлической коробки с двойным дном, в первом из которых изготовлено центральное отверстие, металлический пирамидально-рупорный рефлектор с центральным отверстием в своем основании, размещенный внутри коробки соосно с ней и гальванически соединенный своим основанием с ее первым дном, две пары идентичных симметричных вибраторов, продольные оси которых расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в диагональных плоскостях рефлектора и коробки. Вибраторы выполнены из дугообразно изогнутых ленточных проводников, ширины которых увеличиваются от их начальных участков, являющихся вводами вибраторов, к их конечным участкам, заостренным под углом 90°, и размещены внутри рефлектора. Конечные участки вибраторов размещены во внутренних двухгранных углах рефлектора возле его торцевого края с одинаковым зазором от его внутренних стенок перпендикулярно им. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиолокаторах, применяемых для обнаружения подземных и подводных объектов, в частности металлических и пластмассовых труб, линий связи и утечек воды из трубопроводов.

Известна антенна для георадара, содержащая рефлектор-параболоид, резистивно нагруженный симметричный вибратор, размещенный в его фокусе, и заполняющий внутреннюю полость рефлектора-параболоида диэлектрический материал со значением диэлектрической проницаемости, близким к значению диэлектрической проницаемости зондируемой поверхности [1]. Недостатками антенны являются небольшая широкополосность и значительные габариты, а также узкий круг задач, решаемых с ее помощью, поскольку в ее состав входит один элементарный излучающий элемент.

Известна антенная система для обнаружения подземных трубопроводов [2]. Она сдержит крестовину, состоящую из двух соединяемых между собой крестообразных диэлектрических пластин. В центре верхней пластины выполнено круглое отверстие, в котором размещена часть металлической втулки. Втулка при помощи соединительного фланца закреплена на этой пластине. Вокруг плеч верхней пластины, вдоль их продольных осей размещены две пары проводниковых петель, образующих две пары симметричных шлейф-антенн (бивибраторов). Проводники петель, проходящие снизу верхней пластины, соединены с четырьмя изолированными друг от друга проводниками, размещенными в отверстии металлической втулки. Между концами петель, размещенных на верхней поверхности пластины, и металлической втулкой включены четыре резистора. Нижняя крестообразная пластина предохраняет петли от повреждений при соприкосновении антенной системы с грунтом и различными объектами, находящимися на его поверхности. Недостатками такой антенной системы являются низкий коэффициент полезного действия, низкий коэффициент направленного действия, небольшая широкополосность и невысокая разрешающая способность.

Наиболее близкой к заявленному объекту является антенная система подповерхностного радиолокатора, содержащая корпус, две пары идентичных симметричных вибраторов (диполей), соединенных между собой при помощи диэлектрических крепежных элементов, два симметрирующих трансформатора, размещенные в корпусе, четыре отрезка коаксиального кабеля, частично размещенные в корпусе, и резисторы [3]. Каждое плечо вибраторов выполнено из отрезка полосковой линии. Продольные оси всех отрезков полосковых линий расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и линия пересечения этих плоскостей образует центральную ось системы, при этом полосковые линии расположены в двух параллельных плоскостях перпендикулярно центральной оси системы. Между внешними (наружными) концами полосковых проводников каждого вибратора включены нагрузочные резисторы, а между верхними внутренними концами полосковых проводников в каждой паре вибраторов - проходные резисторы. К нижним внутренним концам полосковых проводников каждой пары вибраторов подсоединены концы центральных проводников двух отрезков коаксиальных кабелей, соединенных последовательно (оплетки отрезков кабелей соединены между собой в начале и в конце отрезков). Начала центральных проводников отрезков кабелей соединены с выводами выходной симметричной обмотки симметрирующего трансформатора. Общий проводник последнего соединен с началами оплеток коаксиальных кабелей. Несимметричный вход одного симметрирующего трансформатора образует вход одного симметричного вибратора.

Недостатками системы-прототипа являются невысокая пространственная разрешающая способность, обусловленная небольшой широкополосностью антенной системы и плохим согласованием ее с исследуемой средой, что приводит к искажению формы короткого зондирующего импульса, а также низкий коэффициент полезного действия (из-за наличия высокого уровня заднего и боковых лепестков в диаграмме направленности).

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - увеличение пространственной разрешающей способности антенной системы за счет увеличения ее широкополостности и улучшения ее согласования с исследуемой средой и ее КПД.

Это достигается тем, что в антенную систему подповерхностного радиолокатора, содержащую корпус, две пары идентичных симметричных вибраторов, продольные оси которых расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а линия пересечения этих плоскостей образует центральную ось системы, и диэлектрические элементы крепления вибраторов, дополнительно введен металлический пирамидально-рупорный рефлектор, имеющий внешний вид правильной усеченной четырехугольной пирамиды, с центральным отверстием в своем основании, корпус выполнен в виде квадратной металлической коробки с двойным дном, в первом из которых изготовлено центральное отверстие, аналогичное отверстию рефлектора, а второе выполнено съемным, закрываемой квадратной диэлектрической съемной крышкой, рефлектор размещен внутри коробки соосно с ней и гальванически соединен своим основанием с ее первым дном, торцевые края рефлектора и коробки расположены концентрически в одной плоскости, между концевыми участками коробки и рефлектора введена выполненная из твердого диэлектрика и механически скрепленная с этими участками квадратная рамка, с которой сочленяется квадратная диэлектрическая съемная крышка, вибраторы выполнены из дугообразно изогнутых ленточных проводников, ширины которых увеличиваются от их начальных участков, являющихся вводами вибраторов, к их конечным участкам, заостренным под углом 90°, и размещены внутри рефлектора, элемент крепления начальных участков вибраторов выполнен в виде диэлектрического стержня, в котором начальные участки вибраторов размещены попарно симметрично относительно оси стержня, стержень с закрепленными в нем начальными участками вибраторов размещен в центральных соосных отверстиях рефлектора и первого дна коробки и частично - в пространстве коробки, расположенном между ее первым и вторым дном, продольные оси вибраторов расположены в диагональных плоскостях рефлектора и коробки, конечные участки вибраторов размещены во внутренних двухгранных углах рефлектора возле его торцевого края с одинаковыми зазорами от его внутренних стенок перпендикулярно им и закреплены при помощи диэлектрических элементов крепления к внутренним стенкам рефлектора.

В частных случаях между внутренней поверхностью коробки и внешней поверхностью рефлектора на одинаковом расстоянии от ребер рефлектора устанавливают четыре плоские перегородки из проводящего материала, свободное пространство между коробкой и рефлектором заполняют поглощающим радиоволны материалом, между конечными участками вибраторов и ближайшими к ним участками внутренних стенок коробки включают резисторы, внутреннее пространство рефлектора с находящимися в нем вибраторами и элементами их крепления заполняют диэлектриком со значением диэлектрической проницаемости, близким к усредненному значению диэлектрической проницаемости исследуемой радиолокатором среды, ширины ленточных проводников вибраторов выполняют увеличивающимся от их начальных участков к их конечным участкам по линейному или экспоненциальному закону, корпус выполняют герметичным, в качестве диэлектрика, заполняющего внутреннее пространство рефлектора с находящимися в нем вибраторами и элементами их крепления, используют жидкость, незамерзающую при температуре окружающей систему среды, а волновое сопротивление линий, образующих вибраторы, выполняют увеличивающимся по экспоненциальному закону от значения, равного значению сопротивлений источников сигналов или нагрузок, подсоединяемых к входам вибраторов, до значения волнового сопротивления исследуемой радиолокатором среды.

На чертеже изображен в упрощенном виде вариант антенной системы подповерхностного радиолокатора со снятой диэлектрической крышкой (диэлектрические элементы крепления вибраторов между собой и с рефлектором и электрический разъем, находящийся на боковой стенке коробки между ее первым и вторым дном, на чертеже также не показаны). На чертеже обозначено: 1 - металлическая коробка; 2 - первое дно коробки; 3 - второе (съемное) дно коробки; 4 - пирамидально-рупорный рефлектор; 5 - центральные круглые отверстия в первом дне коробки и в основании рефлектора; 6 - проводящая перегородка между коробкой и рефлектором; 7 - диэлектрическая рамка; 8 - вибратор; 9 - резистор.

Пространство между первым (2) и вторым (3) дном металлической коробки (1) предназначено для размещения в нем электронных блоков радиолокатора.

Предлагаемое устройство может использоваться в качестве двух передающих или двух приемных, или одной передающей и одной приемной антенн.

По сравнению с устройством-прототипом оно обладает большей относительной широкополостностью, во-первых, за счет большей длины плеч вибраторов при одинаковой длине их проекции на поверхность исследуемого объекта (расширяется диапазон в сторону длинных волн) и, во-вторых, за счет эффекта вытекающих волн из плавно расширяющихся линий передачи, начиная с их начальных участков (расширяется диапазон в сторону коротких волн), а также имеет лучшее согласование с поверхностью исследуемого объекта. Как следствие этого, устройство имеет повышенную разрешающую способность. Наличие рефлектора и поглощающего материала между рефлектором и коробкой уменьшает уровень заднего и боковых лепестков, что увеличивает помехозащищенность радиолокатора и увеличивает КПД антенной системы. Наличие перегородок между коробкой и рефлектором и наличие между ними поглощающего материала уменьшает связь между ортогональными вибраторами через внешнее пространство (обычно неоднородное). Устройство является более универсальным, чем прототип, поскольку может применяться как в наземных, так и подводных условиях.

Источники информации

1. Пат. РФ №2117368, кл. Н 01 Q 19/13. Антенна для георадара. Опубл. 10.08.1998. БИ №22.

2. Пат. США №4028707, кл. Н 01 Q 1/04, 21/26 (НКИ 343-719). Антенна для обнаружения подземных трубопроводов. Опубл. 07.06.1977. Т. 959, №1.

3. Картографирование подземных коммуникаций с помощью импульсной РЛС. Радиотехника сверхвысоких частот. Экспресс-информация, Москва: ВИНИТИ, 1990, №11. С.27-33 - прототип.

1. Антенная система подповерхностного радиолокатора, содержащая корпус, две пары идентичных симметричных вибраторов, продольные оси которых расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и линия пересечения этих плоскостей образует центральную ось системы, диэлектрические элементы крепления вибраторов и резисторы, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен металлический пирамидально-рупорный рефлектор, имеющий внешний вид правильной усеченной четырехугольной пирамиды с центральным отверстием в своем основании, корпус выполнен в виде квадратной металлической коробки с двойным дном, в первом из которых изготовлено центральное отверстие, аналогичное отверстию рефлектора, а второе выполнено съемным, закрываемой квадратной диэлектрической съемной крышкой, рефлектор размещен внутри коробки соосно с ней и гальванически соединен своим основанием с ее первым дном, торцевые края рефлектора и коробки расположены концентрически в одной плоскости, между концевыми участками коробки и рефлектора введена выполненная из твердого диэлектрика и механически скрепленная с этими участками квадратная рамка, с которой сочленяется квадратная диэлектрическая съемная крышка, вибраторы выполнены из дугообразно изогнутых ленточных проводников, ширины которых увеличиваются от их начальных участков, являющихся вводами вибраторов, к их конечным участкам, заостренным под углом 90°, и размещены внутри рефлектора, элемент крепления начальных участков вибраторов выполнен в виде диэлектрического стержня, в котором начальные участки вибраторов размещены попарно симметрично относительно оси стержня, стержень с закрепленными в нем начальными участками вибраторов размещен в центральных соосных отверстиях рефлектора и первого дна коробки и частично в пространстве коробки, расположенном между ее первым и вторым дном, продольные оси вибраторов расположены в диагональных плоскостях рефлектора и коробки, конечные участки вибраторов размещены во внутренних двухгранных углах рефлектора возле его торцевого края с одинаковыми зазорами от его внутренних стенок перпендикулярно им и закреплены при помощи диэлектрических элементов крепления к внутренним стенкам рефлектора, между внутренней поверхностью коробки и внешней поверхностью рефлектора на одинаковом расстоянии от ребер рефлектора под квадратной диэлектрической рамкой установлены четыре плоские перегородки из проводящего материала, свободное пространство между коробкой и рефлектором заполнено поглощающим радиоволны материалом, резисторы включены между конечными участками вибраторов и ближайшими к ним участками внутренних стенок коробки, а внутреннее пространство рефлектора с находящимися в нем вибраторами и элементами их крепления заполнено диэлектриком со значением диэлектрической проницаемости, близким к усредненному значению диэлектрической проницаемости исследуемой радиолокатором среды.

2. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что ширины ленточных проводников вибраторов увеличиваются от их начальных участков к их конечным участкам по линейному закону.

3. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что ширины ленточных проводников вибраторов увеличиваются от их начальных участков к их конечным участкам по экспоненциальному закону.

4. Антенная система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что волновое сопротивление линий, образующих вибраторы, увеличивается по экспоненциальному закону от значения, равного значению сопротивлений источников сигналов или нагрузок, присоединяемых к входам вибраторов, до значения волнового сопротивления исследуемой радиолокатором среды.

5. Антенная система по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен герметичным.

6. Антенная система по п.5, отличающаяся тем, что в качестве диэлектрика, заполняющего внутреннее пространство рефлектора с находящимися в нем вибраторами и элементами их крепления, используют жидкость, незамерзающую при температуре окружающей систему среды.