Спосіб випромінювання та приймання електромагнітних хвиль

Реферат: Спосіб передачі та приймання електромагнітних хвиль включає вибір антен, відстані між ними, збудження антенної решітки електромагнітним сигналом, контроль радіотехнічних параметрів антен решітки. Кожну антену решітки формують на основі холодної плазми газового розряду або направленого потоку електронів, попередньо задають діапазон значень радіотехнічних параметрів антен решітки і відповідний параметр щільності електронів у антенах. В процесі збудження антенної решітки контролюють радіотехнічні параметри антен решітки разом з параметром щільності електронів і доводять останній до заданого значення. UA 90714 U (54) СПОСІБ ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА ПРИЙМАННЯ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ UA 90714 U UA 90714 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів передачі та приймання електромагнітних (ЕМ) хвиль, які переносять інформацію або ЕМ енергію на деяку відстань. Відомий спосіб передачі й приймання ЕМ хвиль відповідно винаходу (див. наприклад патент: Фазированная антенная решетка с центральным возбуждением, РФ, № 2070759, H01Q3/26, 20.12.1996), що містить вибір антен, відстані між ними, збудження антенної решітки електромагнітним сигналом та контроль радіотехнічних параметрів антен, які розміщені на загальній основі і з'єднані із джерелом або приймачем електромагнітного сигналу. У патенті описано спосіб створення фазованої антенної решітки (ФАР), яка містить лінійні випромінювачі, виходи яких з'єднані з входами керованих фазообертачів, багатоканальний хвилеводний розподільник потужності, виходи якого з'єднані з направленими відгалужувачами, виконаними у вигляді отворів зв'язку та з'єднаними з виходами керованих фазообертачів, і хвилеводний сумарно - різницевий міст. Недоліком відомого способу передачі та приймання ЕМ хвиль, заснованих на застосуванні ФАР, є наявність обмеження на регулювання та скорочення відстані між антенами решітки, яке складає половину довжини хвилі робочого частотного діапазону, що не дає можливості скорочувати відстань між антенами решітки і отже регулювати та зменшувати площину та масу основи, на якій розташована ФАР і скорочувати довжину НВЧ фідерів між антенами решітки та передатчиком або приймачем ЕМ хвиль і отже не дозволяє знижувати вартість реалізації цього способу. Крім цього недоліком відомого способу є наявність суттєвого ЕМ взаємовпливу між антенами решітки, що приводить до ускладнення методу та технології узгодження комплексних вхідних опорів кожної антени решітки з передатчиком або приймачем у тому числі при різних кутах сканування ФАР і отже підвищує вартість реалізації цього способу. З відомих способів найбільш близьким до заявленого за технічною суттю є спосіб передачі приймання KM хвиль відповідно винаходу (див. наприклад патент Линейная антенная решетка, РФ № 2296400, H01Q25/02, 01.2006), який включає вибір антен, відстані між ними, збудження антенної решітки електромагнітним сигналом та контроль радіотехнічних параметрів антен, які розміщені на загальній основі і з'єднані із джерелом або приймачем електромагнітного сигналу. У патенті описано спосіб створення лінійної антенної решітки (АР), виконаної у вигляді ряду вібраторних випромінювачів, розміщених з кроком, який рівний половині довжини хвилі, на корпусі розподільної системи, виконаної на жорсткій коаксіальної лінії. Недоліком відомого способу передачі та приймання RM хвиль, заснованого на застосуванні лінійної АР, є наявність обмеження на регулювання та скорочення відстані між антенами решітки, яке складає половину довжини хвилі робочого частотного діапазону, що не дає можливості скорочувати відстань між антенами решітки і отже регулювати та зменшувати площину та масу основи, на якій розташована АР і скорочувати довжину НВЧ фідерів між антенами решітки та передатчиком або приймачем ЕМ хвиль і отже не дозволяє знижувати вартість реалізації цього способу. Крім цього недоліком відомого способу є наявність суттєвого ЕМ взаємовпливу між антенами решітки, що приводить до ускладнення методу та технології узгодження комплексних вхідних опорів кожної антени решітки з передатчиком або приймачем у тому числі при різних кутах сканування АР і отже підвищує вартість реалізації цього способу. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення відомого способу передачі та приймання ВМ хвиль у напряму забезпечення можливості корегування і зменшення відстані та електромагнітного взаємовпливу між антенами решітки, що дозволяє скоротити площину, на якій розташована АР та зменшити масу її основи і скоротити довжину ІІВЧ фідерів між антенами та передатчиком або приймачем і за рахунок цього підвищити ефективність, розширити область застосування при зменшенні вартості реалізації цього способу. Задача вирішується тим, що у відомому способі передачі та приймання електромагнітної енергії, який включає вибір антен, відстані між ними, збудження антенної решітки електромагнітним сигналом, контроль радіотехнічних параметрів решітки, згідно з корисною моделлю, кожну антену решітки формують на основі холодної плазми газового розряду або направленого потоку електронів, попередньо задають діапазон значень радіотехнічних параметрів антен решітки і відповідний параметр щільності електронів у антенах, а в процесі збудження антенної решітки контролюють радіотехнічні параметри антен решітки разом з параметром щільності електронів і доводять останній до заданого значення. Заявлений спосіб реалізується за допомогою пристрою під назвою антенна решітка, основу якого наведено на Фіг. 1 у вигляді структурно-функціональної схеми з'єднання антен 1, які являють собою холодну плазму газовою розряду або потік електронів під зниженим атмосферним тиском зі збуджуючими елементами 2 на диску 3 та підключення їх до пристрою 4 керування роботою антенної решітки. Збуджуючі елементи 2 електрично з'єднано з діаграмоутворюючою та узгоджуючою схемою 5 та з приймачем або передавачем 7 корисного 1 UA 90714 U 5 10 15 20 25 30 сигналу телекомунікації через комутатор сигналу 6. Джерело напруги 8 електричне з'єднане через комутатор 9 з електродами 10, які герметично закріплено на кінцях антени 1. Комутатори 6 і 9 електричне з'єднані між собою. На Фіг. 2 наведено перший варіант загального вигляду АР з несиметричних плазмових або електронно-вакуумних вібраторних петельних антен 1 зі збуджуючими елементами 2 висотою H приблизно у чверть довжини робочої хвилі, встановлених на металевому диску 3 діаметром D на відстані між собою L . Диск 3 виконує функцію механічної основи для закріплення антен решітки і функцію електричної противаги для забезпечення нормальної роботи АР. Крім цього, диск 3 є імітатором корпуса будь-якого транспортного засобу або може виконувати функцію автономної панелі - антенної решітки, наприклад закріпленої на космічному апараті. Усі антени решітки з'єднані зі пристроєм керування 4 роботою даної АР. Звичайно, як правило у техніці антенних решіток мінімально припустима відстань L між антенами не повинна бути менше ніж половина довжини робочої хвилі. При меншій відстані виникають проблеми значного підвищення ЕМ взаємовпливу між антенами АР, який пагубно впливає на вхідний опір кожної антени, їх коефіцієнт стоячої хвилі за напругою (КСХН) і діаграму спрямованості (ДС) антенної решітки. Для доведення того факту, що ΕΜ взаємовплив між плазмовими або електронновакуумними антенами АР відповідно запропонованого способу менше ЕМ взаємовпливу між антенами відомих АР зроблених на основі металу, приводимо приклад порівняльної оцінки ЕМ взаємовпливу між антенами АР (Фіг. 2), виконаних з плазми та алюмінію для двох варіантів відстані між антенами АР: L1  0,5 , L2  0,25 , де  - довжина хвилі робочої частоти АР. При цьому спочатку визначаємо комплексний вхідний опір кожної антени решітки ZBX  RBX  iXBX й потім при відомому цьому опору для забезпечення зручності кількісного порівняння вхідних опорів плазмових та металевих антен, визначаємо його відповідний модуль для кожної антени 2 2 АР: Zв х  Rв х  в х . Це значення характеризує в дійсному вигляді комплексний вхідний опір кожної антени решітки. При проведенні оцінки були використані наступні вихідні дані: робоча частота 2 ГГц, висота H антени 0,2 , діаметр металевого диска 0,5 м. Плазмові антени мають 12 -3 такі параметри: щільність електронів 10 см , температура електронної компоненти плазми або направленого потоку електронів T  10 4 K , питома провідність плазми дорівнює 0,06 См/м, а відносна діелектрична проникність мінус 75. На відміну від плазмової антени питома провідність 7 антени з алюмінію складає приблизно 3,510 См/м, а відносна діелектрична провідність дорівнює одиниці. Результати визначення вхідних опорів плазмових та алюмінієвих антен та їх модулів наведено у таблиці Таблиця Комплексні вхідні опори плазмових та алюмінієвих антен ( Zв х ) та відповідні їм модулі вхідних опорів Zв х для різної відстані ( L1 і L2 ) між антенами плазмової та алюмінієвої АР L 0,5 0,25 Параметр Zв х Плазмова антена 5,93+і37,5 Алюмінієва антена 37,1-і74,5 Zв х 37,9 83,2 Zв х 9,47+і26,5 90,4-і151,8 Zв х 28,1 176,9 35 На основі даних цієї таблиці визначаємо за нижчезазначеними звичайними формулами (1) і (2) відносну зміну значення модуля вхідного опору кожної антени плазмової та алюмінієвої АР в залежності від зміни відстані L , між антенами з 0,5 до 0,25 . ∆  Zв х  L  0,5 Zв х Zв х 40   L  0,25 L  0,5  100 % , (1) де: Zв х  L  0,5 і Zв х  L  0,25 - модулі вхідних опорів плазмових антен для відстані між ними L  0,5 і L  0,25 , відповідно. 2 UA 90714 U  АЛ  5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Zв х Л L  0,5  Zв х Zв х Л Л L  0,25 L  0,5  100 % , (2) де Zв х Л L  0,5 і Zв х Л L  0,25 - модулі вхідних опорів алюмінієвих антен для відстані між ними L  0,5 і L  0,25 , відповідно. Після підстановки у формули (1) і (2) значень модулів вхідних опорів Zв х з наведеної таблиці, нами одержані наступні результати ПА  25,6 % , і  АЛ  113 % , відповідно, що свідчить про те, що зменшення у 2 рази відстані L між антенами запропонованої плазмової АР набагато менше впливає на комплексні вхідні опори плазмових антен, ніж коли антени є алюмінієві. Це також підтверджує те, що ЕМ взаємовплив між антенами запропонованої плазмової АР набагато менший, ніж ЕМ взаємовплив між антенами алюмінієвої АР. На Фіг. 3 наведено другий варіант загального вигляду АР з плазмових або електронновакуумних вібраторних антен 1 відповідно до запропонованого способу зі збуджуючими елементами 2, встановлених на пластині з металу 3 на висоті H , на відстані між собою L . Пластина 3 виконує функцію механічної основи для закріплення антен решітки і функцію електричної противаги для забезпечення нормальної роботи АР. Крім цього пластина 3 є імітатором корпуса будь-якого транспортного засобу або може виконувати функцію автономної панелі - антенної решітки, наприклад закріпленої на космічному апараті. Звичайно, як правило у техніці антенних решіток мінімально припустима відстань L між антенами не повинна бути менше ніж половина довжини робочої хвилі. При меншій відстані виникають проблеми значного підвищення взаємовпливу між антенами АР, який пагубне впливає на вхідний опір кожної антени, їх КСХН і ДС. Усі антени решітки з'єднані з пристроєм 4 керування роботою даної АР. Результати порівняльних досліджень ЕМ взаємовпливу між антенами плазмової та алюмінієвої АР, яка встановлена на пластині (Фіг. 3), є аналогічними результатам досліджень параметрів АР на диску (Фіг. 2), викладеним вище. Заявлений спосіб реалізується наступним чином. Попередньо створюють холодну плазму газового розряду або потік електронів у нутрі антен-трубок 1 (Фіг. 1) завдяки створенню різниці потенціалів між негативним та позитивним електродами 10, які з'єднані з джерелом постійного струму 8 через комутатор 9, які розташовано, наприклад всередині корпуса мобільного об'єкта, на якому розташовано АР. Визначають параметри щільності електронів у антенах 1 непрямим шляхом вимірювання значень напруги на електродах 10 та струму в електромережі між джерелом напруги 8, комутатором 9 та електродами 10 кожної антени 1 за допомогою звичайних приладів вимірювання напруги та струму джерела напруги 8. Переконуються, що щільність електронів в антенах 1 знаходиться у заданому інтервалі. Після чого підключають електромагнітний сигнал переважно НВЧ діапазону до збуджувачів 2 антен 7, використовуючи передавач 7 (або його імітатор, наприклад лабораторний НВЧ генератор) через комутатор 6 та схему 5. Антени 1 починають випромінювати цей сигнал у чому переконуються шляхом експериментального контролю радіотехнічних параметрів антен 1 решітки тобто КСХН за допомогою звичайних радіотехнічних засобів та пристроїв вимірювання, наприклад, Р2-53 тощо й доведення їх до заданого інтервалу. Також, шляхом експериментального контролю, доводять до заданого інтервалу такий радіотехнічний параметр як діаграму спрямованості АР, користуючись відомими засобами. Потім узгоджено разом з параметром щільності електронів у антенах 1 доводять параметри щільності електронів у антенних трубках 1 (Фіг. 1, Фіг. 2 та Фіг. 3) і радіотехнічні параметри до заданого значення, користуючись для визначення щільності непрямими методами контролю напруги та струму між уведеними електродами 10 кожної антенної трубки 1. Позитивною якістю запропонованих способу є те, що в ньому запропоновано вдосконалення відомого способу в напряму забезпечення корегування та зменшення відстані між антенами решітки на величину менше ніж половину довжини робочої хвилі у наслідок формування антен решітки на основі холодної плазми або направленого потоку електронів. Це дозволяє зменшити електромагнітний антенами решітки, що у свою чергу дає спроможність зменшувати площину, на якій розташована АР і отже масу її основи. Також скоротити довжину НВЧ фідерів між антенами та діаграмо - утворюючою схемою. Отже, дозволяє підвищити ефективність, розширити область застосування і зменшити вартість реалізації цього способу. Запропонований спосіб можна кваліфікувати як нове ефективне науково-технічне рішення задачі забезпечення передачі та приймання ЕМ хвиль у різних умовах застосування. Таке рішення може знайти застосування у таких галузях науки і техніки як радіолокація, 3 UA 90714 U 5 10 телекомунікації, передача ЕМ енергії на деяку відстань, тощо, у тому числі у ряду відомих малогабаритних антен. Спосіб, що заявляється, має безумовну перевагу по таким характеристикам, як менший електромагнітний взаємовплив між антенами, менша поверхня розміщення антен АР та ФАР на основі, і у наслідок менша маса, ширша область застосування та більша ефективність використання, що знижує вартість їх реалізації в цілому. Спосіб, що заявляється, пройшов дослідження з позитивними результатами. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб передачі та приймання електромагнітних хвиль, що включає вибір антен, відстані між ними, збудження антенної решітки електромагнітним сигналом, контроль радіотехнічних параметрів антен решітки, який відрізняється тим, що кожну антену решітки формують на основі холодної плазми газового розряду або направленого потоку електронів, попередньо задають діапазон значень радіотехнічних параметрів антен решітки і відповідний параметр щільності електронів у антенах, а в процесі збудження антенної решітки контролюють радіотехнічні параметри антен решітки разом з параметром щільності електронів і доводять останній до заданого значення. 4 UA 90714 U Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5