RU2231180C1

RU2231180C1 - Emitting coaxial cable to test antenna in conducting environment

Info

Publication number: RU2231180C1
Application number: RU2002133990/09A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Марков (RU); В.Г. Марков
Original assignee: ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-06-20

Abstract

FIELD: radio engineering, utilization in the capacity of radiator while testing antenna placed in conductive medium.

SUBSTANCE: technical result of invention lies in increased accuracy and authenticity of measurements while checking parameters of system of spaced apart antennas in conducting environment. Emitting coaxial cable includes inner conductor surrounded with dielectric layer and outer conductor displaying holes. Novelty of approach to emitting cable is that outer conductor with holes is coated with layer of dielectric and is electrically connected to conducting medium by means of inserted electrodes equidistantly arranged between holes of outer conductor and embracing outer conductor. Length of each electrode should be not less than skin layer of conducting medium on lowest frequency of measurement range.

EFFECT: increased accuracy and authenticity of measurements.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве излучателя в системах контроля антенн, предназначенных для работы в проводящих средах.The invention relates to the field of radio engineering and can be used as a radiator in antenna monitoring systems designed to operate in conductive environments.

Известны вибраторные антенны (см., например, в кн. Р. Кинг, Г. Смит “Антенны в материальных средах”. Пер. с англ., М., Мир, 1984, т. 1 с. 189-239), которые могут быть применены в качестве излучателей для контроля антенн в проводящих средах, например воде, земле. Вибраторные антенны содержат вибраторы из проводящего материала, покрытые или не покрытые слоем диэлектрика.Vibratory antennas are known (see, for example, in the book by R. King, G. Smith, “Antennas in material media.” Transl. From English, M., Mir, 1984, v. 1 pp. 189-239), which can be used as emitters for monitoring antennas in conductive environments, such as water, earth. Vibrator antennas contain vibrators of conductive material, coated or not coated with a dielectric layer.

Недостатком вибраторных антенн, в случае применения их для контроля системы из нескольких разнесенных разно ориентированных антенн, расположенных в проводящей среде, является необходимость применения для каждой из контролируемых антенн отдельной контрольной вибраторной антенны, располагаемой в непосредственной близости от контролируемой антенны и снабженной своим отдельным контрольным кабелем, что усложняет систему и повышает ее стоимость..The disadvantage of vibrator antennas, if they are used to control a system of several spaced differently oriented antennas located in a conductive medium, is the need to use for each of the monitored antennas a separate control vibrator antenna located in the immediate vicinity of the monitored antenna and equipped with its own separate control cable, which complicates the system and increases its cost ..

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является излучающий коаксиальный кабель, описанный в патенте РФ №2181518, МКИ Н 01 Р 3/06, H 01 В 11/18 (опубл. 20.04.2002. Бюлл.№11), который мы принимаем за прототип. В соответствии с патентом РФ №2181518 излучающий коаксиальный кабель содержит внутренний проводник, окруженный диэлектрическим слоем, и внешний проводник с отверстиями. Внутренний проводник излучающего коаксиального кабеля содержит радиальные проводящие вставки, расположенные между внутренним и внешним проводниками, соосно с отверстиями. Площади поперечных сечений радиальных проводящих вставок меньше площадей соответствующих отверстий, а форма поперечных сечений и ориентации радиальных проводящих вставок совпадают с формой и ориентацией соответствующих отверстий.The closest in technical essence to the claimed invention is a radiating coaxial cable described in RF patent No. 2181518, MKI N 01 P 3/06, H 01 11/18 (publ. 04/20/2002. Bull. No. 11), which we accept for the prototype. In accordance with RF patent No. 2181518, a radiating coaxial cable contains an inner conductor surrounded by a dielectric layer and an outer conductor with holes. The inner conductor of the radiating coaxial cable contains radial conductive inserts located between the inner and outer conductors, coaxially with the holes. The cross-sectional areas of the radial conductive inserts are smaller than the areas of the corresponding holes, and the cross-sectional shape and orientation of the radial conductive inserts coincide with the shape and orientation of the corresponding holes.

Такое конструктивное решение благодаря введению радиальных проводящих вставок обеспечивает эффективное излучение электромагнитных полей из отверстий внешнего проводника и постоянство волнового сопротивления кабеля за счет компенсации неоднородностей канала коаксиального кабеля.Such a design solution due to the introduction of radial conductive inserts provides efficient radiation of electromagnetic fields from the holes of the external conductor and the constancy of the wave impedance of the cable by compensating for inhomogeneities of the channel of the coaxial cable.

Недостатками этого излучающего кабеля при использовании его в качестве излучателя для контроля системы разнесенных антенн в проводящих средах являются низкая точность и достоверность результатов контроля даже при расположении антенн в зоне отверстий.The disadvantages of this radiating cable when used as a radiator for monitoring a system of spaced antennas in conductive media are the low accuracy and reliability of the monitoring results even when the antennas are located in the area of the holes.

Эти недостатки вызваны тем, что для случая использования излучающего кабеля в проводящих средах, с целью исключения коррозии внешнего проводника и исключения затекания кабеля, его необходимо покрывать защитной герметичной оболочкой из диэлектрических материалов, например полиэтилена или резины.These disadvantages are caused by the fact that for the case of using a radiating cable in conductive media, in order to prevent corrosion of the external conductor and to prevent leakage of the cable, it must be covered with a protective sealed sheath of dielectric materials, such as polyethylene or rubber.

Однако при этом электромагнитные поля, излучаемые из отверстий внешнего проводника, возбуждают электромагнитные волны в коаксиальном канале, образованном внешним проводником кабеля, диэлектрической оболочкой и проводящей средой. Электромагнитные волны, возбужденные отверстиями, распространяясь в образованном коаксиальном канале, накладываются друг на друга, образуя сложную картину поля с пучностями, не всегда совпадающими с координатами отверстий. При изменении частоты сигнала распределение результирующего поля в коаксиальном канале и в окружающей проводящей среде, где расположены контролируемые антенны, также изменяется.However, in this case, the electromagnetic fields emitted from the openings of the external conductor excite electromagnetic waves in the coaxial channel formed by the external conductor of the cable, the dielectric sheath and the conductive medium. Electromagnetic waves excited by the holes, propagating in the formed coaxial channel, overlap each other, forming a complex picture of the field with antinodes that do not always coincide with the coordinates of the holes. When the signal frequency changes, the distribution of the resulting field in the coaxial channel and in the surrounding conductive medium, where the monitored antennas are located, also changes.

Это приводит к тому, что сигналы даже от однотипных антенн оказываются различными, причем при изменении частоты контрольного сигнала оказывается также различным характер изменения сигналов от каждой из антенн. Эти причины приводят к неоднозначности оценки результатов контроля, снижают точность и достоверность измерений.This leads to the fact that the signals even from the same type of antennas are different, and when the frequency of the control signal changes, the nature of the change in signals from each of the antennas also turns out to be different. These reasons lead to ambiguity in the assessment of control results, reduce the accuracy and reliability of measurements.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и достоверности измерений при проведении контроля параметров системы разнесенных антенн, расположенных в проводящих средах.The objective of the present invention is to improve the accuracy and reliability of measurements when monitoring the parameters of a system of diversity antennas located in conductive environments.

Поставленная задача решается таким образом, что в излучающем коаксиальном кабеле, содержащем внутренний проводник, окруженный диэлектрическим слоем, и внешний проводник с отверстиями, согласно изобретению внешний проводник покрыт слоем диэлектрика и электрически соединен с проводящей средой посредством введенных электродов, равноудаленно расположенных между отверстиями внешнего проводника и охватывающих внешний проводник, причем длина каждого электрода не менее скин-слоя проводящей среды на нижней частоте диапазона измерений.The problem is solved in such a way that in an emitting coaxial cable containing an inner conductor surrounded by a dielectric layer and an outer conductor with holes, according to the invention, the outer conductor is coated with a dielectric layer and is electrically connected to the conductive medium by means of inserted electrodes equally spaced between the holes of the outer conductor and covering the external conductor, and the length of each electrode is not less than the skin layer of the conductive medium at the lower frequency of the measurement range.

Покрытие внешнего проводника слоем диэлектрика позволяет удалить проводящую среду от поверхности отверстий и, следовательно, исключить затухание излученных электромагнитных волн вблизи отверстий. Тем самым обеспечивается достаточно высокий уровень излучений из отверстий.Coating the outer conductor with a dielectric layer allows you to remove the conductive medium from the surface of the holes and, therefore, to eliminate the attenuation of radiated electromagnetic waves near the holes. This ensures a sufficiently high level of radiation from the holes.

Введение электродов, электрически соединяющих внешний проводник кабеля с проводящей средой, охватывающих внешний проводник и расположенных равноудалено между отверстиями, закорачивает коаксиальный канал распространения электромагнитных волн, образованный внешним проводником кабеля, диэлектрическим слоем и проводящей средой, что исключает возможность наложения друг на друга излученных из отверстий волн, образование стоячих волн в образованном коаксиальном канале и сохраняет расположение максимумов излучения над поверхностью отверстий.The introduction of electrodes electrically connecting the outer conductor of the cable to the conducting medium, covering the outer conductor and located equidistant between the holes, shortens the coaxial channel of propagation of electromagnetic waves formed by the outer conductor of the cable, the dielectric layer and the conducting medium, which eliminates the possibility of overlapping waves emitted from the holes , the formation of standing waves in the formed coaxial channel and preserves the location of the radiation maxima above the surface TIFA.

Благодаря выбору длины электродов не менее скин-слоя проводящей среды на нижней частоте диапазона измерений удается разделить участки излучения электромагнитной энергии в проводящую среду и тем самым практически исключить наложение излучений в проводящей среде над отверстиями, где расположены контролируемые антенны от различных участков коаксиального канала.By choosing the length of the electrodes of at least the skin layer of the conductive medium at the lower frequency of the measurement range, it is possible to separate the areas of electromagnetic energy emission into the conductive medium and thereby virtually eliminate the overlap of emissions in the conductive medium above the holes where the monitored antennas from different sections of the coaxial channel are located.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения “новизна”. Существенные признаки предлагаемого излучающего кабеля известны из литературы, но в совокупности в применении к излучающему кабелю, используемому в качестве излучателя в системах контроля разнесенных антенн в проводящих средах, создают положительный эффект, выражающийся в повышении точности и достоверности измерений при проведении контроля антенн.Thus, the claimed technical solution meets the criteria of the invention of "novelty." The essential features of the proposed radiating cable are known from the literature, but taken as a whole, as applied to the radiating cable used as a radiator in monitoring systems for diversity antennas in conductive media, they create a positive effect in terms of increasing the accuracy and reliability of measurements when monitoring antennas.

Так как коаксиальный излучающий кабель благодаря этому приобретает новые свойства, то предложенная совокупность признаков удовлетворяет критерию “существенные отличия”.Since the coaxial radiating cable, due to this, acquires new properties, the proposed set of features satisfies the criterion of “significant differences”.

На чертеже показан продольный разрез описываемого излучающего коаксиального кабеля.The drawing shows a longitudinal section of the described radiating coaxial cable.

Излучающий коаксиальный кабель содержит внутренний проводник 1, окруженный диэлектрическим слоем 2, и внешний проводник 3 с отверстиями 4. Внешний проводник 3 с отверстиями 4 покрыт слоем диэлектрика 5 и электрически соединен с окружающей проводящей средой 6 посредством электродов 7, охватывающих внешний проводник 3 и равноудалено расположенных между отверстиями 4. Электроды 7 имеют длину не менее скин-слоя проводящей среды 6 на нижней частоте диапазона измерений.The radiating coaxial cable contains an inner conductor 1 surrounded by a dielectric layer 2, and an outer conductor 3 with holes 4. An outer conductor 3 with holes 4 is covered with a dielectric layer 5 and is electrically connected to the surrounding conductive medium 6 by means of electrodes 7 surrounding the outer conductor 3 and equally spaced between the holes 4. The electrodes 7 have a length of at least the skin layer of the conductive medium 6 at the lower frequency of the measurement range.

Излучающий коаксиальный кабель работает следующим образом.Radiating coaxial cable operates as follows.

Высокочастотная электромагнитная волна, распространяясь в коаксиальном кабеле между внутренним 1 и внешним 3 проводниками, частично излучается сквозь отверстия 4 во внешнем проводнике 3. Слой диэлектрика 5, покрывающий внешний проводник 3 кабеля, способствует эффективному излучению электромагнитной энергии из отверстий 4 и исключает ее поглощение проводящей средой 6 в непосредственной близости от отверстий 4.A high-frequency electromagnetic wave propagating in a coaxial cable between the inner 1 and outer 3 conductors is partially emitted through the holes 4 in the outer conductor 3. The dielectric layer 5 covering the outer conductor 3 of the cable contributes to the efficient emission of electromagnetic energy from the holes 4 and eliminates its absorption by the conductive medium 6 in the immediate vicinity of the holes 4.

Излученное из отверстий 4 электромагнитное поле возбуждает электромагнитные волны в коаксиальном канале, образованном внешним проводником 3, введенным слоем диэлектрика 5 и внешней проводящей средой 6. Электроды 7, охватывающие внешний проводник 3, равноудалено расположенные между отверстиями 4 и обеспечивающие электрический контакт внешнего проводника 3 с проводящей средой 6, закорачивают образованный коаксиальный канал распространения электромагнитных волн по всему периметру кабеля, исключая наложение волн друг на друга и образование в коаксиальном канале стоячих волн.The electromagnetic field radiated from the openings 4 excites electromagnetic waves in the coaxial channel formed by the external conductor 3, the inserted dielectric layer 5, and the external conductive medium 6. The electrodes 7 enclosing the external conductor 3 are equally spaced between the openings 4 and provide electrical contact between the external conductor 3 and the conductive medium 6, short-circuit the formed coaxial channel for the propagation of electromagnetic waves along the entire perimeter of the cable, excluding the superposition of waves on each other and the formation of in a coaxial channel of standing waves.

Так как расстояние между излучающими участками коаксиального канала определяется длиной электродов 7, которая должна быть не менее скин-слоя проводящей среды 6 на нижней частоте диапазона измерений, то практически в проводящую среду 6 над отверстиями 4, в точки размещения каждой из контролируемых антенн, поступают излученные мощности только с соответствующих участков образованного коаксиального канала.Since the distance between the radiating sections of the coaxial channel is determined by the length of the electrodes 7, which should be at least the skin layer of the conductive medium 6 at the lower frequency of the measurement range, then practically emitted into the conductive medium 6 above the holes 4, the radiated power only from the corresponding sections of the formed coaxial channel.

При повышении частоты контрольных измерений величина скин-слоя проводящей среды уменьшается, затухание электромагнитной энергии, поступающей в точки расположения антенн от соседних участков, увеличивается и, следовательно, повышается точность проводимых контрольных измерений.With an increase in the frequency of control measurements, the value of the skin layer of the conducting medium decreases, the attenuation of electromagnetic energy supplied to the antenna location points from neighboring sections increases, and, therefore, the accuracy of the control measurements is increased.

Электроды 7 могут быть выполнены в виде металлических трубок из морской латуни или титана, надетых на излучающий коаксиальный кабель и размещенных равноудаленно между отверстиями 4. Металлические трубки электрически соединяются с внешним проводником 3 кабеля. Места стыковки металлических трубок с внешним слоем диэлектрика, например полиэтиленом или резиной, герметизируются. При необходимости сохранения гибкости излучающего коаксиального кабеля электроды 7 выполняются в виде спирали из металлической ленты или проволоки, первые и последние витки которой заводятся под внешний слой диэлектрика, электрически соединяются с внешним проводником 3 кабеля и герметизируются. Длина электродов 7, составляющая величину не менее одного скин-слоя проводящей среды на нижней частоте диапазона измерений, может быть рассчитана, исходя из известной формулы для затухания δ электромагнитных полей в проводящих средах (см. кн. М.П.Долуханов. “Распространение радиоволн” M., 1960 г., с.29)The electrodes 7 can be made in the form of metal tubes of sea brass or titanium, worn on a radiating coaxial cable and placed equidistant between the holes 4. The metal tubes are electrically connected to the external conductor 3 of the cable. The joints of the metal tubes with the outer dielectric layer, for example polyethylene or rubber, are sealed. If it is necessary to maintain the flexibility of the radiating coaxial cable, the electrodes 7 are made in the form of a spiral made of a metal tape or wire, the first and last turns of which are wound under the outer dielectric layer, are electrically connected to the outer conductor 3 of the cable and sealed. The length of the electrodes 7, amounting to at least one skin layer of the conducting medium at the lower frequency of the measurement range, can be calculated based on the well-known formula for the attenuation of δ electromagnetic fields in conducting media (see pr. MP Dolukhanov. “Radio wave propagation "M., 1960, p.29)

где σ - проводимость среды, См/м;where σ is the conductivity of the medium, S / m;

λ - длина волны в свободном пространстве, м.λ - wavelength in free space, m

Как известно скин-слой - Δ, это расстояние, на котором электромагнитная волна затухает в e раз. Величина скин-слоя определяется выражениемAs you know the skin layer - Δ, is the distance at which the electromagnetic wave attenuates e times. The size of the skin layer is determined by the expression

учитывая, что λ= с/ƒ,taking into account that λ = c / ƒ,

где с - скорость света в вакууме, м/с;where c is the speed of light in vacuum, m / s;

ƒ - частота, Гц,ƒ - frequency, Hz,

получаем формулу для скин-слоя Δwe obtain the formula for the skin layer Δ

Для проводящей среды типа морской воды с проводимостью σ, равной 4 См/м, частотой измерений ƒ 1 МГц и 10 МГц величина скин-слоя, рассчитанная по формуле 3, и, следовательно, минимальные длины электродов 7 соответственно равны 0,25 м и 0,08 м.For a conductive medium such as sea water with a conductivity σ equal to 4 S / m, a measurement frequency of ƒ 1 MHz and 10 MHz, the skin layer value calculated by formula 3 and, therefore, the minimum lengths of the electrodes 7 are respectively 0.25 m and 0 , 08 m.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества: повышение точности и достоверности измерений при проведении контроля параметров системы разнесенных антенн в проводящих средах за счет повышения уровня электромагнитного поля в зоне расположения контролируемых антенн благодаря введению покрытия внешнего проводника с отверстиями слоем диэлектрика, а также за счет исключения наложения излученных из различных отверстий электромагнитных полей в точках расположения антенн благодаря электрическому соединению внешнего проводника кабеля с проводящей средой посредством введенных электродов, охватывающих кабель и равноудаленно расположенных между отверстиями внешнего проводника длиной не менее скин-слоя проводящей среды на нижней частоте диапазона измерений.Thus, the proposed technical solution provides the following advantages in comparison with the prototype: improving the accuracy and reliability of measurements when monitoring the parameters of a system of spaced antennas in conductive media by increasing the level of the electromagnetic field in the area of the location of the monitored antennas by introducing a coating of an external conductor with holes with a dielectric layer, and also by eliminating the overlap of electromagnetic fields emitted from various openings at the points where the antennas are located, b due to the electrical connection of the external conductor of the cable with the conductive medium by means of inserted electrodes covering the cable and equally spaced between the openings of the external conductor with a length of at least the skin layer of the conductive medium at the lower frequency of the measurement range.

Claims

A radiating coaxial cable for monitoring antennas in conductive media, comprising an inner conductor surrounded by a dielectric layer and an outer conductor with holes, characterized in that the outer conductor with holes is coated with a dielectric layer and is electrically connected to the conductive medium by means of inserted electrodes equally spaced between the openings of the external conductor and covering the outer conductor, and the length of each electrode is not less than the skin layer of the conductive medium at the lower frequency of the measurement range .