Спосіб випромінювання та приймання електромагнітних хвиль та реконфігурована антена

Реферат: Спосіб випромінювання та приймання електромагнітних хвиль та реконфігурована антена належать до радіотехніки і можуть бути використані у пристроях, які переносять інформацію або ЕМ енергію на деяку відстань. У способі та пристрої випромінювання та приймання ЕМ хвиль, середовище формують у вигляді одного або більшого числа направлених потоків електронів з попередньо визначеними їх параметрами, фокусують потоки контролюючи їх параметри до визначених значень, після чого збуджують потоки ЕМ сигналами. Антена включає електроди, джерело струму та джерело сигналу, джерело або приймач електромагнітного сигналу з'єднано відповідно із введеним збуджуючим елементом, розміщеним між введеним фокусуючим елементом та позитивним електродом, а фокусуючий елемент розташовано між її негативним електродом та збуджуючим елементом. Технічним результатом є удосконалення відомого способу та пристрою випромінювання та приймання ЕМ хвиль шляхом виключення необхідності наявності герметичної камери заповненою речовиною, що спрощує реконфігуровану антену і відповідно знижує вартість реалізації способу та пристрою і дозволяє розширити область застосування реконфігурованої антени при наявності герметичної камери в приземних і підземних умовах так і без герметичної камери при використанні антени в умовах аерокосмічного простору на літаках, космічних апаратах, тощо. UA 106658 C2 (12) UA 106658 C2 UA 106658 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до способів та пристроїв випромінювання та приймання електромагнітних (ЕМ) хвиль, які переносять інформацію або ЕМ енергію на деяку відстань. У сучасній практиці відомий спосіб випромінювання та приймання ЕМ хвиль за допомогою реконфігурованих антен (див., наприклад, патент: Recon-figurable Antennas, USA N. 6,876,330 B2, April 5, 2005, Igor Alexeff, Theodore Anderson, Elwood G. Norris). У даному патенті запропоновано елемент антени, який включає по крайньої мірі два провідних елемента і рідину (наприклад, газ або пар), яку заповнено у колбу або трубку, яку розташовано між провідними елементами. Рідина спроможна до іонізації таким чином, що коли рідина у колбі або трубці збуджена, провідні елементи електрично зв'язані між собою, а коли рідина не збуджена провідні елементи електрично не зв'язані між собою. Недоліками відомого способу випромінювання та приймання ЕМ хвиль, заснованого на застосуванні у якості антени провідних елементів та рідини (наприклад, газу або пару), яку заповнено у колбу або трубку, яку розташовано між провідними елементами, є неспроможність забезпечення випромінювання та приймання електромагнітних хвиль при відсутності колби або трубки з рідиною, яка спроможна іонізуватися, а наявність колби або трубки з рідиною підвищує вартість реалізації цього способу. З відомих способів найбільш близьким до заявленого за технічною сутністю є спосіб випромінювання та приймання ЕМ хвиль, який запропоновано у патенті Reconfigurable Plasma Antenna, USA N. 6,369,763, April 9, 2002, Elwood G. Norris, Ted Anderson, Igor Alexeff. У даному патенті описано спосіб створення плазмової антени для випромінювання та приймання ЕМ хвиль, яка переважно є реконфігурованою. Запропоновано методи створення плазмових антен, а також метод зміни конфігурації діаграми спрямованості плазмової антени. Запропонована плазмова антена включає закриту камеру (оболонку), склад, який знаходиться у закритій камері та спроможній створювати плазму. Антена включає, по крайній мірі, три точки збудження, які спроможні створювати ЕМ контакт з плазмою та джерело енергії, який забезпечує підключення у трьох точках, по крайній мірі, одного провідного шляху у плазмі у закритій камері. Переважно є механізм, який може бути використаний для перенастройки провідного шляху у плазмі. До недоліків цього способу випромінювання та приймання ЕМ хвиль можна віднести його неспроможність забезпечити випромінювання та приймання ЕМ хвиль реконфігурованою або будь-якою іншою плазмовою антеною при відсутності герметичної камери герметичної камери з плазмою, а наявність герметичної камери з плазмою підвищує вартість реалізації цього способу. В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомого способу випромінювання та приймання ЕМ хвиль шляхом виключення необхідності наявності герметичної камери заповненою речовиною, що спрощує реконфігуровану антену і відповідно знижує вартість реалізації способу. Це також дозволяє розширити область застосування антени при наявності герметичної камери в приземних і підземних умовах так і без герметичної камери при використанні антени в умовах аерокосмічного простору на літаках, космічних апаратах, тощо, при наявності певного вакууму. Ця задача вирішуються тим, що у способі випромінювання та приймання ЕМ хвиль, який включає етапи формування середовища в реконфігурованій антені у герметичній камері або без неї, збудження цього середовища електромагнітним сигналом та випромінювання або приймання сигналу, згідно винаходу середовище формують у вигляді одного або більшого числа направлених потоків електронів з попередньо визначеними їх параметрами, фокусують потоки контролюючи їх параметри до визначених значень, після чого збуджують потоки ЕМ сигналами. У сучасній практиці відомий пристрій випромінювання та прийому ЕМ хвиль за допомогою реконфігурованих антен (див., наприклад, патент: Reconfigurable Antennas, USA N. 6,876,330 B2, April 5, 2005, Igor Alexeff, Theodore Anderson, Elwood G. Norris). У патенті запропоновано елемент антени, який включає по крайній мірі два провідних елемента і рідину (наприклад, газ або пар), яку заповнено у колбу або трубку, яку розташовано між провідними елементами. Рідина спроможна до іонізації таким чином, що коли рідина у колбі або трубці збуджена, провідні елементи електрично зв'язані між собою, а коли рідина не збуджена провідні елементи електрично не зв'язані між собою. Недоліками відомого пристрою випромінювання та приймання ЕМ хвиль, заснованого на застосуванні у якості антени провідних елементів та рідини (наприклад, газу або пару), яку заповнено у колбу або трубку, яку розташовано між провідними елементами, є неспроможність забезпечення випромінювання та приймання електромагнітних хвиль при відсутності колби або трубки з рідиною, яка спроможна іонізуватися, а наявність колби або трубки з рідиною, а наявність колби або трубки з рідиною підвищує вартість реалізації цього пристрою. 1 UA 106658 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 З відомих пристроїв найбільш близьким до заявленого за технічною сутністю є пристрій випромінювання та приймання ЕМ хвиль, який запропоновано у патенті Reconfigurable Plasma Antenna, USA N. 6,369,763, April 9, 2002, Elwood G. Norris, Ted Anderson, Igor Alexeff. У даному патенті запропоновано пристрій плазмової антени для випромінювання та приймання ЕМ хвиль, яка переважно є реконфігурованою. Антена включає, по крайній мірі, три точки збудження, які спроможні створювати ЕМ контакт з плазмою та джерело енергії, який забезпечує підключення у трьох точках, у крайній мірі, одного провідного шляху у плазмі у закритій камері. Переважно, є механізм, який може бути використувано для перенастройки провідного шляху у плазмі. До недоліків цього пристрою випромінювання та приймання ЕМ хвиль можна віднести його неспроможність забезпечити випромінювання та приймання ЕМ хвиль реконфігурованою плазмовою антеною при відсутності герметичної камери з плазмою, а наявність герметичної камери підвищує вартість реалізації цього пристрою. В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомого пристрою випромінювання та приймання ЕМ хвиль шляхом спрощення конструкції та зниження вартості пристрою за рахунок відсутності герметичної камери, що дозволяє розширити область застосування антени з герметичною камерою як в приземних і підземних умовах, так і без герметичної камери в умовах аерокосмічного простору при наявності вакууму. Ця задача вирішуються тим, що у пристрої випромінювання та приймання ЕМ хвиль під назвою реконфігурована антена, що включає електроди, джерело струму та джерело сигналу згідно з винаходом джерело або приймач електромагнітного сигналу з'єднано відповідно із введеним збуджуючим елементом, розміщеним між введеним фокусуючим елементом та позитивним електродом, а фокусуючий елемент розташовано між її негативним електродом та збуджуючим елементом. На фіг. 1 - фіг. 4 наведено структурно-функціональні схеми пристрою для реалізації заявленого способу під назвою реконфігурована антена. У заявленому пристрої, основу якого представлено на фіг. 1, на металевій противазі 2 встановлено негативний 4 та позитивний 5 електроди для формування потоку електронів 7, які електрично з'єднані з джерелом постійного струму 6, яке включає індикатор та регулятор вихідної напруги. Проміж негативним 4 та позитивним 5 електродами встановлена або не встановлена герметична камера 3. Введений фокусуючий елемент 7 встановлено між негативним електродом 4 та вузлом збудження 9, який розташовано між фокусуючим елементом 7 та позитивним електродом 5. Джерело 8 корисного сигналу, яке є передавачем або приймачем змінної напруги з індикатором коефіцієнту стоячої хвилі за напругою (КСХН), електрично з'єднано з вузлом збудження 9, який встановлено поблизу потоку електронів 1. На фіг. 2 наведена схема заявленого пристрою, яка співпадає зі схемою фіг. 1 по наявності усіх означених на схемі елементів і структурно-функціональним зв'язкам між ними за виключенням того, що у схемі фіг. 2 у порівнянні зі схемою фіг. 1 добавлено ще один вузол збудження 9 потоку електронів 1, який також електрично з'єднано джерелом 8 сигналу. На фіг. 3 наведена схема заявленого пристрою, яка доповнена електронними віддзеркалювачами 10, які встановлено між електродами 4 та 5. На фіг. 4 наведена схема заявленого пристрою для формування декількох потоків електронів 7, поблизу кожного з яких встановлено вузол 9 збудження. Вузли збудження 9 з'єднані електричними лініями з блоком приймання та передачі ЕМ сигналу 8. Негативний полюс блока живлення 6 електрично з'єднаний з негативними електродами 4, а його позитивний полюс електрично з'єднаний з позитивними електродами 5 через введений електронний блок комутації 11. Блоки 8 і 11 з'єднані із введеним блоком 12 загального керування роботою реконфігурованої антени. Заявлений спосіб реалізується за допомогою пристрою під назвою реконфігурована антена наступним чином (фіг. 1 - фіг. 4). Передчасно формуються середовища у вигляді одного або більшого числа направлених потоків електронів з попередньо визначеними їх параметрами тобто щільністю потоку електронів та його потужністю, фокусують потоки електронів і контролюють їх параметри до досягнення визначених значень за допомогою індикатору якості потоку, який входить у склад блока 8, після чого збуджують потоки електромагнітними сигналами за допомогою збуджуючих елементів 9. Реалізація заявленого способу відповідно наведеної основної схеми (фіг. 1) здійснюється шляхом створення направленого потоку електронів 1, довжина якого для ефективного випромінювання (приймання) ЕМ сигналу повинна бути сумірною з довжиною хвилі ЕМ сигналу. Пристрій можна кваліфікувати як електронно-променеву антену над металевою противагою 2, яка може бути корпусом мобільного об'єкту. При необхідності, для зниження імовірності електричного високовольтного пробою між потоком електронів 1 та противагою 2, на металеву 2 UA 106658 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 противагу 2 доцільно нанесення шару діелектрика. Направлений потік електронів 1 може бути сформованим у герметичній камері 3 або без неї в залежності від умов використання запропонованого пристрою. Відповідно, при звичайному атмосферному тиску при розташуванні на землі або при зниженому атмосферному тиску при встановленні на літаку, космічному апараті, тощо. Потік електронів 1 створюється завдяки різниці потенціалів між негативним 4 та позитивним 5 електродами, які з'єднані з джерелом постійного струму 6, яке розташовано, наприклад, всередині корпуса мобільного об'єкту. При регулюванні електричних параметрів запропонованої антени змінюють щільність потоку електронів 1 шляхом зміни параметрів електроду 4 або зміни напруги джерела постійного струму 6, а значення поперечного перерізу потоку електронів 1 та його спрямованість змінюють введеним фокусуючим елементом 7. Джерело 8 корисного, переважно, інформаційного сигналу мікрохвильового діапазону, яке є передавачем або приймачем змінної напруги розташовано як правило всередині корпуса мобільного об'єкту 2 і електрично з'єднано з вузлом збудження 9 променю електронів 1. Вузол збудження 9 може забезпечувати індуктивний електричний зв'язок у вигляді петлі (Фіг. 1) або ємнісний електричний зв'язок приладу 8 з променем електронів 1. Прилад 8 споряджений пристроєм контролю якості потоку електронів 1 шляхом автоматизованого вимірювання коефіцієнта стоячої хвилі за напругою (КСХН) на вході вузла збудження 9. При підключенні необхідної різниці потенціалів від джерела постійної напруги 6 до електродів 5 та 4 між ними створюється і поширюється направлений потік електронів 1. У режимі передачі ЕМ хвиль при наявності променю електронів 1 для його збудження змінною напругою включається джерело змінної напруги 8, з якого подають змінну різницю потенціалів на вузол збудження 9, який електрично збуджує промінь електронів 1, який у свою чергу функціонує як передавальна антена. У режимі приймання ЕМ хвиль при наявності променю електронів 1 від вузла 9 на приймач 8 подають, переважно, інформаційну різницю потенціалів змінної напруги, яка була наведена стороннім ЕМ полем на проміні електронів 7, який у даному випадку виконує функцію приймальної антени. На фіг. 2 наведена схема реалізації заявленого способу та пристрою, який співпадає по наявності усіх означених на схемі фіг. 1 елементів, їх нумерації і структурно-функціональним зв'язкам між ними за винятком того, що у схемі фіг. 2 у порівнянні зі схемою фіг. 1 добавлено один такий же вузол збудження 9, який також електрично з'єднано з потоком електронів 1 джерелом сигналу 8. Спосіб і пристрій, якій відповідає схемі фіг. 2 у порівнянні зі схемою фіг. 1 дозволяє розширити спроможності регулювання електричних параметрів заявленого способу та пристрою. На фіг. 3 наведена схема реалізації заявленого способу та пристрою, у якому направлений потік електронів 1 змінює напрям розповсюдження за допомогою віддзеркалювачів 10, довжина якого для ефективного випромінювання (приймання) ЕМ сигналу повинна бути сумірною з робочою довжиною хвилі ЕМ сигналу. Пристрій можна кваліфікувати як електронно-променеву петльову або рамочну антену над металевою противагою 2, яка може бути корпусом мобільного об'єкту. При необхідності, для зниження імовірності електричного високовольтного пробою між потоком електронів 1 та противагою 2, на металеву противагу можна наносити шар діелектрика. Направлений потік електронів 1 може бути сформованим у герметичній камері 3 або без неї в залежності від умов використання запропонованого пристрою. Потік електронів 1 створюється завдяки різниці потенціалів між негативним 4 та позитивним 5 електродами, які з'єднані з джерелом постійного струму 6, яке розташовано, наприклад, всередині корпуса мобільного об'єкту. Для регулювання електричних параметрів запропонованої антени можна змінювати щільність потоку електронів 1 шляхом зміни параметрів електроду 4 або зміни напруги джерела постійного струму 6, а поперечний переріз потоку електронів 1 та його спрямованість можна регулювати введеними фокусуючими елементами 7. Джерело корисного сигналу 8, яке є передавачем або приймачем змінної напруги розташовано як правило всередині корпуса мобільного об'єкту 2 і електрично з'єднано з вузлом збудження 9 променю електронів 1. Вузол збудження 9 може забезпечувати індуктивний у вигляду петлі (Фіг. 1) або ємнісний електричний зв'язок приладу 8 з променем електронів 1. При підключенні необхідної різниці потенціалів від джерела постійної напруги 6 до аноду 5 та катоду 4 між ними створюється і поширюється направлений потік електронів 7, щільність якого регулюють шляхом зміни різниці потенціалів пристрою 6, або зміною параметрів електроду 4. У режимі передачі ЕМ хвиль при наявності променю електронів 1 для його збудження змінною напругою включають джерело змінної напруги 8, з якого подається змінна різниця потенціалів на вузол збудження 9, який збуджує промінь електронів 1, який у свою чергу функціонує як передавальна антена. У режимі приймання ЕМ хвиль при наявності променю електронів 1 від вузла 9 на приймач 8 подається, 3 UA 106658 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 переважно, інформаційна різниця потенціалів змінної напруги, яка була наведена стороннім ЕМ полем на проміні електронів 7, який у даному випадку виконує функцію приймальної антени. На фіг. 4 наведена схема реалізації заявленого способу та пристрою, який складено з декількох направлених потоків електронів 1, де передбачена можливість керування його загальною діаграмою спрямованості. Направлений потік електронів 1 може бути сформованим у герметичній камері 3 або без неї в залежності від умов використання запропонованого пристрою. Відповідно, при звичайному атмосферному тиску при розташуванні на землі або при зниженому атмосферному тиску при встановленні на літаку, космічному апараті, тощо. Потік електронів 7 створюється завдяки різниці потенціалів між негативним 4 та позитивним 5 електродами, які з'єднані з джерелом постійного струму 6, яке розташовано, наприклад, всередині корпуса мобільного об'єкту. При регулюванні електричних параметрів запропонованої антени змінюють щільність потоку електронів 1 шляхом зміни параметрів електроду 4 або зміни напруги джерела постійного струму 6, а значення поперечного перерізу потоку електронів 7 та його спрямованість змінюють введеним фокусуючим елементом 7. Джерело 8 корисного, переважно, інформаційного сигналу мікрохвильового діапазону, яке є передавачем або приймачем змінної напруги розташовано як правило всередині корпуса мобільного об'єкту 2 і електрично з'єднано з вузлом збудження 9 променю електронів 1. Вузол збудження 9 може забезпечувати індуктивний електричний зв'язок у вигляду петлі (Фіг. 1) або ємнісний електричний зв'язок приладу 8 з променем електронів 7. Прилад 8 споряджений пристроєм контролю якості потоку електронів 1 шляхом автоматизованого вимірювання КСХН на вході вузла збудження 9. При підключенні необхідної різниці потенціалів від джерела постійної напруги 6 до електродів 5 та 4 між ними створюється і поширюється направлений потік електронів 1. У режимі передачі ЕМ хвиль при наявності променю електронів 7 для його збудження змінною напругою включається джерело змінної напруги 8, з якого подають змінну різницю потенціалів на вузол збудження 9, який електрично збуджує промінь електронів 7, який у свою чергу функціонує як передавальна антена. У режимі приймання ЕМ хвиль при наявності променю електронів 7 від вузла 9 на приймач 8 подають, переважно, інформаційну різницю потенціалів змінної напруги, яка була наведена стороннім ЕМ полем на промені електронів 7, який у даному випадку виконує функцію приймальної антени. Потоки електронів 7 формують і орієнтують між собою переважно у різних площинах під різними кутами на кожному з яких встановлено введений вузол збудження 9, електрично з'єднаний з джерелом або приймачем змінної напруги 8 для передачі ЕМ сигналу або його приймання від збудженого променю електронів 7. Промені електронів 1 мають електричний зв'язок відповідно з негативними 4 та позитивними 5 електродами. Негативний полюс блока живлення 6 електрично з'єднай з електродами 4, а позитивний полюсу блока живлення 6 з'єднай з електродами 5 через електронний блок комутації 11. Порядок і алгоритм роботи блока 11 задається завчасно спеціальним програмним забезпеченням, яке входить у склад приладу 12 загального керування роботою запропонованої реконфігурованої антени. У цьому приладі 12 також передбачено синхронізація роботи блоків 8 та 11. Позитивною якістю способу та пристрою, є те, що в них запропоновано удосконалення відомого способу та пристрою шляхом створення нового середовища випромінювання та приймання електромагнітних хвиль у вигляді променя електронів необхідної якості, довжини і щільності. Це дозволило розширити область застосування реконфігурованої антени як з герметичною камерою так і без неї та знизити вартість реалізації способу та пристрою при забезпеченні можливості спрощення конструкції та застосування у різних умовах експлуатації реконфігурованої антени, наприклад, в умовах аерокосмічного простору на літаках, космічних апаратах, тощо, при різних барометричних тисках оточуючого середовища. Спосіб та пристрій, що заявляється, пройшов випробування в лабораторії. Результати випробувань позитивні. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Спосіб випромінювання та приймання електромагнітних хвиль, який включає етапи формування середовища в реконфігурованій антені, збудження цього середовища електромагнітним сигналом та випромінювання або приймання сигналу, який відрізняється тим, що середовище формують у вигляді одного або більшого числа направлених потоків електронів з попередньо визначеними їх параметрами, фокусують потоки контролюючи їх параметри до визначених значень, після чого збуджують потоки електромагнітними сигналами. 2. Реконфігурована антена, що включає електроди, джерело струму та джерело електромагнітного сигналу, яка відрізняється тим, що введено збуджуючий та фокусуючий 4 UA 106658 C2 елементи, при цьому збуджуючий елемент з’єднаний з джерелом електромагнітного сигналу та розміщений між фокусуючим елементом і позитивним електродом, а фокусуючий елемент розміщено між негативним електродом та збуджуючим елементом. 5 UA 106658 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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 6