Способы передачи и приема электромагнитных волн через среду и устройства для их осуществления

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для передачи с минимальными потерями электромагнитной энергии через различные среды. Достигаемым техническим результатом при реализации заявленных объектов является увеличение коэффициента прохождения волн через среду. Достигаемый технический результат обеспечивает с помощью устройства и способа передачи электромагнитных волн через среду, включающего генерирование электромагнитной волны с частотой ω₁ (далее ЭМВ), преобразование ее параметров, пропускание волны через среду, при этом создают по крайней мере одну дополнительную ЭМВ с частотой ω₂, сдвигают фазу одной из волн относительно другой на угол α₁, и способа приема ЭМВ, переданных через среду, включающего прием ЭМВ, их преобразование, регистрацию и использование. Устройство для передачи ЭМВ через среду снабжено по крайней мере одним дополнительным источником ЭМВ, в качестве которого могут быть использованы, например, делитель мощности, генератор, ретранслятор или другое устройство, излучающее ЭМВ, которое вместе с основным источником образует два плеча распространения ЭМВ, а также устройством для приема двух прошедших через среду волн. При этом основными признаками, обеспечивающими получение оптимальных результатов, являются: наличие разности частот передаваемых волн, направление их к границе среды под максимально близким по величине углами, чтобы пересекали границу по возможности в одной точке. 4 с. и 11 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для передачи с минимальными потерями электромагнитной энергии через различные среды.

Известен способ передачи электромагнитных волн через среду, включающий первоначальную настройку импеданса передающих устройств для согласования его с состоянием свободного пространства и среды и изменение мощности передаваемых сигналов до необходимого уровня [1].

Известно устройство для осуществления способа передачи электромагнитных волн через среду, содержащее источник электромагнитной энергии, узлы ее преобразования и передачи с механизмами настройки импеданса, выделения зондирующего излучения и управления величиной передаваемой мощности [1].

К недостаткам способа и устройства [1] передачи электромагнитных волн через среду следует отнести ограниченность их применения - только для ионизованных сред; сложность применения, т.к. для их реализации необходимо постоянно измерять и контролировать степень ионизации среды и вместе с тем невозможность применения для ионизованных сред с большим затуханием и на частотах намного меньших плазменной частоты.

Известен также способ передачи электромагнитных волн через среду, включающий преобразование параметров электромагнитных волн, пропускание их через среду волн [2] - прототип.

Известно также устройство для осуществления способа передачи электромагнитных волн, содержащее источник волн, средства выделения из них составляющих и преобразование их параметров, средство выделения после прохождения поглощающей среды и практического использования этих составляющих [2].

Недостатками прототипов являются, в частности, невозможность осуществить полную передачу электромагнитной волны через обычные не магнитные диэлектрики, для которых угол Брюстера вообще не существует, а также относительно низкий коэффициент прохождения волн через другие среды.

Достигаемый техническим результатом при реализации заявленных объектов является увеличение коэффициента прохождения волн через среду.

Достигаемый технический результат обеспечивает с помощью способа передачи электромагнитных волн через среду, включающего генерирование электромагнитной волны (далее ЭМВ), преобразование ее параметров, пропускание волны через среду, при этом создают по крайней мере одну дополнительную ЭМВ с частотой ω₁, сдвигает фазу одной из волн, относительно другой на угол α в пределах 0 < α < (360^o · S), кроме значения α = 360^o · Q, где S и Q - любое целое число, направляют обе волны на поверхность среды таким образом, чтобы векторы распространения ЭМВ от двух антенн пересекались на границе среды в одной точке, устанавливают изменением положения антенн в пространстве углы ϕ₁ и ϕ₂ между векторами n₁ и n₂ направленности распространения ЭМВ и перпендикуляром к поверхности среды в пределах 0 < < 90^o, причем выбирают эти углы в пределах 0 < (ϕ₁,ϕ₂) < 90^o, при этом обеспечивают соотношение расстояний l₁ и l₂ между точками пересечения линий распространения электромагнитных волн с входной и выходной границами среды соответственно с максимальными размерами длин сечений L₁ и L₂ волновых фронтов основной и дополнительной ЭМВ с поверхностью входной границы среды и максимальными размерами длин сечений L'₁ и L'₂ волновых фронтов основной и дополнительной ЭМВ с поверхностью второй границы среды соответственно выбирают в пределах 0 < l₁ < (L₁ + L₂) и 0 < l₂ < (L'₁ + L'₂), и поддерживают на поверхностях входной и выходной границ среды разности фаз двух волн в пределах 0 < < (360^o · S), кроме значения = 360^o · Q.

Причем создают дополнительную ЭМВ с частотой ω₂, отличной от частоты ω₁ основной ЭМВ на величину, при которой на входной и выходной границах среды обеспечивается разность фаз этих двух волн 0 < (Ψ₁-Ψ₂) < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q.

При этом создают дополнительную ЭМВ, пропуская основную волну через делитель мощности, а при создании дополнительных ЭМВ, количество которых достигает 2S генерируют их по меньшей мере от одного дополнительного источника электромагнитной энергии, направляют и пропускают через среду попарно.

Кроме того, для поддержания углов ϕ₁ и ϕ₂ в пределах 0 < (ϕ₁,ϕ₂) < 90^o и 0 < < 90^o используют n₀ входных слоев самой среды, общее количество n₀ выбирают в пределах 1 ≅ n₀ ≅ 10² и/или располагают на входной поверхности среды дополнительно n₀ входных слоев, обеспечивая соотношения расстояний I_fⁱ между точками пересечения линий распространения ЭМВ с поверхностью i-ого слоя, где 1 ≅ i ≅ n₀ + 1 с максимальными размерами длины сечений волновых фронтов L₁ⁱ и L₂ⁱ обеих волн с поверхностью i-го слоя в пределах 0 ≅ l₁ⁱ < l₁ⁱ + L₂ⁱ.

Достигаемый технический результат обеспечивается также использованием способа приема электромагнитных волн, переданных через среду, включающий прием ЭМВ, их преобразование, регистрацию и использование, где настаивают приемные антенны на выходную границу среды, создавая попарно области взаимодействия волновых фронтов с диаграммой направленности приемных антенн, и принимают ЭМВ после выхода их из среды под углами ϕ₁ и ϕ₂, соответственно вдоль линий распространения первой и второй волн, обеспечивают равенство фаз обеих волн, сдвигая фазу одной из принятых волн относительно другой на угол β, который выбирают в пределах 0 < β < 360^o, регулируя разность фаз обеих волн в пределах соотношения 0 < < 360^o · S, кроме значений < 180^o · M, где M - любое нечетное число, после чего суммируют эти ЭМВ и передают суммарный сигнал в приемник.

Следует иметь ввиду, что настраивают приемное устройство на одну из двух передаваемых частот ω₁ или ω₂, имеющую большую величину.

Достигаемый технический результат обеспечивается также использованием устройства для передачи ЭМВ через среду, содержащее источник ЭМВ, средства выделения из них составляющих и преобразования их параметров, и передающую систему, которое снабжено по крайней мере одним дополнительным источником ЭМВ, в качестве которого могут быть использованы, например, делитель мощности, генератор, ретранслятор или другое устройство, излучающее ЭМВ, которое вместе с основным источником образуют два плеча распространения ЭМВ, соединенных с двумя входами средства преобразования параметров, причем одно из плеч распространения ЭМВ последовательно связано через элемент сдвига фазы с одной из двух антенн передающей системы, в которую входит волна с фазой α₁, а другое плечо соединено со второй антенной, в которое входит вторая ЭМВ с фазой причем элемент сдвига фазы обеспечивает регулирование разности фаз двух волн в пределах 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q, а антенны размещены таким образом, чтобы направления их излучений пересекались в одной точке на поверхности среды, при этом передающая система содержит специальные приспособления, обеспечивающие линейные и/или угловые перемещения обеих антенн в пространстве, и ее поворотные системы дают возможность управлять углами ϕ₁ и ϕ₂ в пределах 0 < (ϕ₁,ϕ₂) < 90^o при соблюдении условия, что 0 < < 90^o и расстояниями l₁ и I₂ в пределах 0 < l₁ < (L₁ - L₂) и 0 < l₂ (L'₁ + L'₂).

При этом в средстве преобразования один из входов волны через последовательно соединенные между собой элемент сдвига фазы в виде фазовращателя и направленный ответвитель соединен с излучающей антенной, другой вход волны соединен последовательно со вторым направленным ответвителем и второй излучающей антенной, при этом направленные ответвители в обоих плечах соединены также между собой фазометром, на входы которого поступают с направленных ответвителей ЭМВ с фазами соответственно, фазометр через блок корректирующей обратной связи электрически соединен с фазовращателем корректировки фазы причем конструктивные особенности фазовращателя обусловлены соотношением фаз в пределах 0 < < (360^o · S), кроме значений = 360^o · Q.

Достигаемый технический результат обеспечивается также устройством для приема электромагнитных волн, прошедших через среду, содержащее средство приема, фиксирования прошедших через среду ЭМВ и их регистрацию, в котором средство выделения и регистрации прошедших через среду ЭМВ выполнено в виде приемной системы, состоящей из двух приемных антенн, конструктивно выполнен таким образом, что обеспечивает возможность линейного перемещения и поворота и взаимосвязаны таким образом, чтобы обеспечить прием вдоль линий распространения принимаемых волн и создать область пересечения диаграммы направленности каждой приемной антенны с соответствующим волновым фронтом прошедших через среду ЭМВ, что позволяет настраивать попарно приемные антенны на выходную поверхность среды под углами ϕ₁ и ϕ₂, при этом каждая антенна соединена последовательно с соответствующим направленным ответвителем, а они в свою очередь подсоединены к двум входам фазометра, причем один из них подсоединен также к фазовращателю и передают при этом ЭМВ с фазами при этом фазометр через блок корректирующий обратной связи электрически соединен с фазовращателем корректировки фазы а конструктивные особенности фазовращателя обусловлены соотношением фаз выбираемых в пределах 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q, одновременно выход фазовращателя и выход направленного ответвителя соединены с входом сумматора разными ЭМВ, а выход сумматора соединен с приемником.

Предложенные способ и устройство целесообразно пояснить, используя чертежи, на которых изображены: Фиг. 1. Схема прохождения электромагнитных волн через среду; Фиг. 2. Схема распространения двух электромагнитных волн и их составляющих через входную и выходную границы среды; Фиг. 3. Эпюры для параллельных и перпендикулярных компонент векторов электрической напряженности.

Фиг. 4. Структурные схемы выполнения устройства передачи и приема ЭМВ через среду.

Способ передачи ЭМВ через среду характеризуются тем, что выделяют одним источником энергии электромагнитную волну с частотой ω₁ и создают по крайней мере одну дополнительную электромагнитную волну с частотой ω₂, при этом фазу одной из волн сдвигают относительно другой на угол α, который выбирают в пределах 10 < α < 360^o · S, кроме значений α = 360^o · Q. Таким образом, оптимальным является случай получения электромагнитных когерентных волн, распространяющихся в противофазе, то есть когда α = 180^o.

Эффект компенсации ЭМВ на границе среды полностью отсутствует, если сдвиг фазы α между ними равен нулю или 360^o, поэтому граничные условия на α определяются пределами 0 < α < 360^o · S, где S и Q любые целые числа. Полученные волны направляют в область пересечения их со средой таким образом, чтобы векторы направлений распространения ЭМВ n₁ и n₂ от двух антенн пересекались на границе среды в одной точке, причем повороты антенн, поддерживают углы ϕ₁ и ϕ₂ между векторами n₁ и n₂ направленности распространения ЭМВ и перпендикуляром к поверхности среды в пределах 0 ≅ < 90^o; причем выбирают эти углы в пределах 0 < (ϕ₁,ϕ₂) < 90^o.

Угол падения ЭМВ на границу среды не может быть больше 90^o и меньше 0, поэтому 0 ≅ < 90^o, в случае равенства углов падения ϕ₁=ϕ₂ реализуется оптимальный вариант сечения L₁ и L₂, одновременно обеспечиваются соотношения расстояний l₁ и l₂ (фиг. 1, 2) между точками пересечений линий распространения ЭМВ с входной и выходной границами среды соответственно и максимальными размерами длин сечений L'₂ и L'₂ волновых фронтов основной и дополнительной ЭМВ с поверхностью второй границы среды соответственно выбирают в пределах 0≅ l₁ < (L₁ + L₂) и 0 ≅ l₂ < (L'₁ + L'₂).

Эффект компенсации волн отсутствует, если обе ЭМВ пересекают границу среды не в одной точке, а разнесены на расстояние l₁ на входной границе и l₂ на выходной границе среды на величину большую, чем размер области взаимодействия электромагнитных волн. Размер области взаимодействия волн на поверхности границ среды равен нулю, (фиг. 2) если волновые фронты двух электромагнитных волн нигде не пересекаются.

Поэтому l₁ и l₂ должны быть меньше суммы ширины сечений волнового фронта соответственно первой электромагнитной волны L₁ и второй электромагнитной волны L₂ с поверхностью входной границы среды и меньше суммы ширины сечений волнового фронта со второй поверхностью границы среды L₁ и L₂ для обеих волн.

0 < l₁ < L₁ + L₂ и 0 < l₂ < L'₁ + L'₂ в противном случае отсутствует взаимодействие волн и их компенсация. Оптимальный случай когда l₁ и l₂ равны нулю.

Для того, чтобы передаваемые ЭМВ пришли к первой и второй границе среды в противофазе, обеспечивают при этом регулирование разности фаз двух волн на верхней границе среды в пределах 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q, а на нижней границе среды в пределах 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q. При использовании второго источника ЭМВ с частотой ω₂ или в случае неравенства расстояний l'₆, l''₆ передающих антенн до границы среды необходимо учитывать разность набега фаз до поверхностей границ среды обеих волн Ψ₁ и Ψ₂ соответственно для входной границы и для второй границы среды. Главное условие компенсации волн и в этом случае должно выполняться, поэтому оптимальные условия равны = 180^o и = 180^o. Компенсация волн отсутствует на поверхности границ среды при = 0, 360^o и при = 0, 360^o. Поэтому предельные соотношения можно записать в виде: 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q и 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q.

При передаче ЭМВ через среду предусматривается использование двух ЭМВ, причем вторую ЭМВ можно создать путем пропускания одной волны через делитель мощности или ее генерируют от дополнительного источника. В случае получения ЭМВ в количестве кратном 2, с помощью по меньшей мере одного дополнительного источника, направляют ЭМВ и пропускают их через среду попарно.

Для совмещения волн используют n₀ входных слоев самой среды или располагают на входной поверхности среды n₀ дополнительных входных слоев, что соответствует условиям поддержания углов ϕ₁ и ϕ₂ в пределах 0 < (ϕ₁,ϕ₂) < 90^o и 0 < < 90^o общее количество которых выбирают в пределах 1 < n₀ < 10², обеспечивая соотношение расстояния l₁ⁱ, где 1 ≅ i ≅ n₀ + 1, между точками пересечения линий распространений каждой из волн с поверхностью i-го слоя, выбираемое в пределах 0 ≅ l₁ⁱ < L₁ⁱ + L₂ⁱ.

Таким образом, совместимость ЭМВ в среде можно, например, используя рефракционные эффекты и направляя первоначально две электромагнитные волны не параллельно, а под углом друг к другу (фиг. 1, где N₁, N₂, N₃ - коэффициенты преломления соответствующих сред).

При осуществлении способа передачи электромагнитной волны через среду с большим затуханием и/или с большим коэффициентом отражения с использованием нескольких слоев на входной поверхности среды с целью направить две электромагнитные волны параллельно друг другу за счет специального подбора коэффициентов преломления приводит к дополнительным потерям по сравнению со случаем предварительного совмещения электромагнитных волн ϕ₁,ϕ₂ << 10^o, например, с помощью передающих антенн.

Эти потери будут связаны с затуханием электромагнитных волн в каждом слое и отражением части их каждого слоя, но только для компонент векторов перпендикулярных к поверхности раздела сред (фиг. 2). Параллельные компоненты указанных векторов в противофазе скомпенсируются и с материальной средой не будут взаимодействовать. И чем меньше угол между падающими на среду волнами ϕ₀= Ψ₁+Ψ₂, тем меньше имеют абсолютное значение перпендикулярные компоненты векторов и тем меньшая часть энергии передаваемых волн будет претерпевать потери при прохождении электромагнитных волн через многослойную среду на отражение и затухание. В каждом слое происходит потеря энергии ЭМВ за счет наличия коэффициента отражения R_i от границы раздела слоев: N_1,2^по = N_1,2^пад - N_1,2^пад · R_i, где N_1,2^по - энергия перпендикулярной составляющих первой и второй падающих волн на i-й слой. Потери за счет затухания при прохождении слоя: N_1,2^{п зат} = N_1,2^пад (1-R_i) · (1-Y_i), где Y_i - коэффициент затухания электромагнитной волны в i-м слое.

Таким образом, применение многослойной структуры энергетически выгодно, например, и для углов падения на среду ϕ₁,ϕ₂ > 10^o.

На фиг. 2 изображена схема распространения двух ЭМВ через входную Г₁ и выходную Г₂ границы среды толщиной l₅ и приема их двумя приемными антеннами с диаграммами направленности D₁(η) и D₂(η) соответственно, где η - угловая координата в точках приема E и G двух ЭМВ, расположенных на линии направления распространения ЭМВ вдоль векторов n₁ и n₂. Передающие антенны, так же как и приемные, имеют диаграммы направленности, угол раскрытия основного лепестка которых отличен от нуля Поэтому распространяясь из двух точек излучения A и B вдоль векторов направленности n до входной границы Г₁ среды, волновой фронт обеих волн разойдется на углы и на входной границе среды, пересекаясь с ней имеет два значения L₁ и L₂, характеризующие размер области пересечения волнового фронта каждой их двух волн в плоскости фиг. 2. На второй границе Г₂ среды волновой фронт двух ЭМВ, прошедших через среду, еще сильнее разойдется в пространстве и, пересекаясь со второй границей даст значительно большие размеры пересечений L'₁ > L₁ и L'₂ > L₂.

Для более полного и эффективного взаимодействия двух ЭМВ необходимо чтобы их волновые фронты полностью перекрывали друг друга и в каждой точке поверхности границы среды выполнялись оптимальные условия-компенсации двух ЭМВ. Взаимное перекрытие волновых фронтов достигается путем более точного наведения двух передающих антенн на точку O пересечения двух векторов направленности распространения ЭМВ с границей Г₁ среды, т.е. совмещением двух точек C и D в точке O. Компенсация двух падающих на границу ЭМВ легче всего выполняются при полной идентичности и симметрии двух передающих каналов и точной направленности двух передающих антенн в точку O на границе среды, когда l₆ = l'₆ и l₄ = l'₄ (фиг. 4) путем сдвига фазы одной из волн в оптимальном случае на угол α = 180^o.

При распространении двух ЭМВ внутри среды до второй границы Г₂ фазовые соотношения двух ЭМВ будут автоматически поддерживаться при ϕ₁= ϕ₂ и абсолютной симметрии двух передающих каналов, а более полное и эффективное взаимодействие двух ЭМВ, или что тоже самое перекрытие обоих волновых фронтов достигается путем уменьшения углов ϕ₁ и ϕ₂, что приводит к уменьшению величины l₂.

Векторы электрической напряженности можно разложить на две составляющие, параллельные к границе среды и перпендикулярные ей поэтому только для них будут выполняться условия компенсации и отсутствия отражения от границы среды.

Таким образом, для среды с малым затуханием и большим отражением необходимо как можно более точно направлять передающие антенны в точку пересечения O и вносить сдвиг фазы в одну из волн α = 180^o; для среды с большим затуханием ЭМВ и малым отражением необходимо как можно больше уменьшить значения а также и, наконец, для среды с большим затуханием и большим отражением для оптимальной передачи ЭМВ через нее необходимо выполнение всех вышеперечисленных условий.

В случае, когда дополнительная ЭМВ имеет не равную частоту с основной волной, для передачи двух ЭМВ через среду необходимо также выполнение всех вышеприведенных условий. Однако в этом случае компенсация ЭМВ будет частично выполняться на границе среды не только для параллельных компонент векторов но и для перпендикулярных компонент векторов электрической напряженности как показано на эпюрах напряженностей (фиг. 3 "а" и "б"). Начало оси координат X взято на границе Г₁ среды в точке O, а направление - вдоль перпендикуляра к границе (фиг. 2). При различии частот по величине нарушается симметрия и идентичность двух передающих каналов с точки зрения идентичности фаз основной и дополнительной ЭМВ. Но и в этом случае для компенсации двух ЭМВ на поверхности границы Г₁ среды сдвигают фазу одной из передаваемых волн на угол α таким образом, чтобы в точке их пересечения O они были сдвинуты на = 180^o, т.е. осуществлялся бы оптимальный случай их компенсации.

При передаче двух ЭМВ через среду с разными частотами ω₁ и ω₂ на выходе из среды, характеризующейся большим затуханием, будет изменяться электрическая напряженность с основной и дополнительной волн по одному суммарному закону E(t), оптимальному для передачи через среду каждой из них (эпюра "в" фиг. 3). Поэтому приемное устройство необходимо настраивать на одну из частот ω₁ или ω₂ имеющую большую величину. Таким образом, с помощью выбора значений величины ω₁ или ω₂ можно передать низкочастотный сигнал через закритическую плазму с плазменной частотой ω₀:ω₁<ω₀,ω₂>ω₀. Способ приема ЭМВ, переданных через среду, включает выполнение следующих последовательно осуществляемых операций, которые независимо увязаны с устройством для приема ЭМВ.

Для осуществления способа две приемные антенны устанавливают вдоль линий распространения основной и дополнительной ЭМВ прошедших через среду и с целью ориентации антенн их направляют на выходную границу среды под углами ϕ₁ и ϕ₂, образуемыми между перпендикуляром к поверхности выходной границы среды и линиями направлений распространения ЭМВ, вышедших из среды, создавая попарно области электромагнитного взаимодействия волновых фронтов с диаграммами направленности приемных антенн. Затем принимают ЭМВ после выхода их из среды для выравнивания из фаз направляют ЭМВ на фазосдвигающий узел, в нем сдвигают фазу одной из принятых волн относительно другой на угол β который выбирают в переделах 0 < β < 360^o · S, кроме значений β = 360^o · Q, одновременно регулируют разность фаз обеих волн, выбирая в пределах 0 ≅ ≅ 360^o · S, кроме значений < 180^o · M, где M - любое целое число.

При значениях β = 0, 360^o и кратное им две волны складываются в противофазе, поэтому приемник не будет ничего фиксировать.

Следовательно, угол сдвига фаз β может меняться в пределах 0 < β < 360^o · S, кроме значений β = 360^o · Q.

Из среды две волны при реализации оптимального случая передачи ЭМВ через среду выходят в противофазе, поэтому чтобы их потом сложить необходимо добавить снова сдвиг фазы в одну из волн равный 180^o. Поэтому для значений фаз записываются аналогичные граничные условия 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q.

После выравнивания фаз прошедших через среду ЭМВ, они направляются в сумматор и складываются, после чего посылаются в приемник.

Для приема двух ЭМВ, прошедших через среду, необходимо разместить обе приемные антенны вдоль линии распространения обеих ЭМВ и направить их соответственно в точки K и M пересечения линий распространения с выходной границей Г₂ среды. В этом случае достигается максимально возможно пересечение диаграммы направленности D₁(η) и D₂(η) приемных антенн с волновыми фронтами двух прошедших среду ЭМВ.

В случае симметрии и идентичности двух передающих каналов ранее искусственно введенный сдвиг фазы α = 180^o сохранится и для выходящих из среды ЭМВ. Поэтому с целью суммирования двух ЭМВ, прошедших через среду в приемном устройстве для оптимального случая необходимо внести дополнительный фазовый сдвиг одной из волн относительно другой на угол β = 180^o. Тогда две ЭМВ в суммирующем устройстве будут складываться в фазе.

Устройство передачи ЭМВ через среду (фиг. 4) содержит источник 1 и по крайней мере один дополнительный источник ЭМВ, в качестве которого могут быть использованы делитель мощности 2, (фиг. 4а), генератор 3 (фиг. 4б), ретранслятор или другие устройства, излучающие ЭМВ, которые вместе с основным источником 1 образуют два плеча 4 и 5 распространения ЭМВ, соединенных с двумя входами средства преобразования 6 параметров ЭМВ, причем одно из плеч делителя 2 через последовательно соединенные между собой фазовращатель 7 и направленный ответвитель 8 соединено с излучательной антенной 9, а второе плечо 5 делителя 2 соединено последовательно с направленным ответвителем 5' и второй излучательной антенной 9'. Ответвители 8 и 8' соединены между собой фазометром 10, связанным электрически через блок 11 корректирующей обратной связи с фазовращателем 7 корректировки угла фазы α₂, взаимосвязанного с углом фазы α₁ соотношением 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q.

Оптимальным значением разности фаз α₁ и α₂ для компенсации волн является равенство = 180^o, то есть две волны складываются в противофазе, а компенсация волн отсутствует при = 0, 360^o. Из чего определяется значения предельных величин разности, фаз 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q.

Важным моментом в конструкции передающей системы l₂ является ее способность регулировать линейное и/или угловое перемещение антенн 8 и 8' относительно поверхности 14 среды 16, обеспечивая пересечения на верхней границе 14 среды 16 в одной точке 17 линий направленности распространения ЭМВ характеризующимися векторами n₁ и n₂ (фиг. 4а).

Устройство для приема электромагнитных волн, прошедших через среду, содержит приемную систему 18, включающую две приемные антенны 19 и 19', которые с помощью перемещающих приспособлений 20 и 20', осуществляют линейные и/или угловые движения обеих антенн 19 и 19' в пространстве.

Особенности конструкции системы 18 позволяют управлять углами ϕ₁ и ϕ₂ и обеспечить создание по парных областей электромагнитного взаимодействия волновых фронтов двух прошедших через среды ЭМВ с диаграммами направленности каждой приемной антенны 19 и 19' (фиг. 4а). Антенны 19 и 19' направляются на поверхность выходной границы 15 среды 16 таким образом, чтобы точка пересечения направленности расстояния ЭМВ, прошедших среду 16 была бы расположена на расстоянии l₄, минимально удаленного от выходной поверхности 15 границы среды. Антенны 19 и 19' расположены вдоль направлений распространения двух ЭМВ, прошедших через среду 16, принимают их. Антенны 19 и 19' соединены последовательно с направленными ответвителями 21 и 21', которые часть мощности подают на фазометр 22 от первого направленного ответвителя 21 с фазой α₃ и от второго 21' с фазой α₄, фазометр 22 в свою очередь соединен через блок корректирующей обратной связи 23 с фазовращателем 24 корректировки угла α₃, взаимосвязанного с α₄ соотношением 0 < < 360^o · S, кроме значений = 360^o · Q. Выходы фазовращателя 24 и направленного ответвителя 21', т. е. из средства преобразования параметров 6' ЭМВ, соединены со входами с сумматором 25 при этом суммированный сигнал из сумматора 25 поступает в приемник 26. В случае, когда приемная система 18, регистрирующая прошедшие через среду 16 две ЭМВ, расположена от передающих антенн 19 и 19' на большие расстояния l₀ >> λ, то эти две волны в пространстве разойдутся друг от друга на большое расстояние l₃. Поэтому, задаваясь величиной базы l₃ = l'₃ + l''₃ приемной системы 18 необходимо соблюдать ограничения на углы падения ϕ₁,ϕ₂ и расстояние l₄, l'₄ от приемных антенн 19 и 19' до выходной границы 15 среды 16, зависимой от I₃, и определяемой из уравнения
где D₁ и D₂ - размеры фронта встречи ЭМВ с диаграммой направленности антенн 19 и 19'.

Если достаточно регистрации приемной системой 18, одной из волн, то на углы ϕ₁ и ϕ₂ не накладываются эти ограничения. Но в этом случае теряется мощность одной из принимаемых волн.

Доказательство указанного технического результата было получено в лабораторных условиях в СВЧ-диапазоне с помощью схемы, изображенной на фиг. 4. Источником 1 волн был выбран генератор типа Г4-83, а волны направлялись на поверхность среды 16 под углами ϕ₁ и ϕ₂, равными 30^o. В качестве среды 16, через которую осуществляли передачу СВЧ-волн, использовали в одном случае алюминиевый лист прямоугольной формы толщиной 4 мм со сторонами 1.5 х 2.5 м, а в другом - железный лист прямоугольной формы толщиной 6 мм со сторонами 1 х 1.5 м.

Передающие антенны 9 и 9' и листы 16 помещались в безэховой камере 27 для исключения полей рассеяния передаваемых волн, а электромагнитные волны с другой стороны металлического листа 16 принимались приемником 26 типа П5-7Б с помощью рупорных антенн 19 и 19'. Проведенные эксперименты показали, что при выравнивании мощности ЭМВ в обоих каналах и при внесении фазового сдвига осуществляется передача электромагнитных волн через алюминиевый и железный листы 16. В случае, когда фазовый сдвиг между двумя волнами, падающими на поверхность среды 16 симметрично относительно нормали к ней, отличался на величину, выходящую за заявленные пределы, приемником 26 (П5-7Б) фиксировалось существенное уменьшение уровня проходящей через среду 16 электромагнитной волны, либо вообще сигнал пропадал. Аналогичное явление наблюдалось при различии затухания в передающих каналах.

При отключении любого из передающих каналов (фиг. 4) прохождение электромагнитных волн отсутствовало, что фиксировалось приемником П5-7Б по резкому уменьшению мощности принимаемого сигнала более чем 3000 раз, когда уровень его становился ниже чувствительности приемника 26.

Необходимо отметить, что при отсутствии среды (в нашем случае металлических листов) измеряемая мощность была больше примерно на 40 дБ, чем при наличии металлических листов. Следовательно, электромагнитные волны претерпевают потери при прохождении через среду: для алюминиевого листа потери составляли 30 дБ, для железного - 40 дБ. Для прототипов потери составляли гораздо большую величину и, как показали проведенные замеры, с помощью приемника П5-7Б, для алюминиевого листа потери были более 60 дБ, для железного листа также более 60 дБ, т.е. за пределами чувствительности приемника. Теоретические подсчеты уровня мощности принимаемого сигнала при учете коэффициента отражения дают на несколько порядков больше потери. В эксперименте более точно определить потери для прототипа не представлялось возможным из-за снижения уровня мощности сигнала ниже чувствительности приемника. Для уменьшения потерь при осуществления предлагаемого способа необходимо углы падения и обеих волн относительно нормали к поверхности среды уменьшать, но тогда расстояние от металлического листа до приемной антенны необходимо увеличивать, чтобы сохранить пространственное разрешение электромагнитных волн. При осуществлении предлагаемого способа прохождение электромагнитных волн фиксировалось с помощью антенн 11, 11' и приемника П5-7Б только по направлению на передающие антенны.

Предлагаемое изобретение может быть использовано при передаче или приеме электромагнитных сигналов через сильно отражающие и/или поглощающие среды, так например, при осуществлении радиосвязи через металлическую обшивку летательного, подводного или наземного аппаратов. Оно применимо также при осуществлении дальней космической электромагнитной связи, когда угол между передающими антеннами близок к нулю. В этом случае данное изобретение можно использовать для передачи на большие расстояния мощных электромагнитных сигналов для аккумулирования энергии. Изобретение позволяет также при меньших энергетических затратах передавать через среду больше энергии электромагнитных сигналов, что позволит существенно улучшить экологическую обстановку. Использование предлагаемого изобретения позволяет передавать электромагнитные волны через разные среды с гораздо меньшими потерями, чем у прототипа.

Формула изобретения

1. Способ передачи электромагнитных волн через среду, включающий генерирование основной электромагнитной волны (ЭМВ), преобразование ее параметров, пропускание волны через среду, отличающийся тем, что создают по крайней мере одну дополнительную ЭМВ, сдвигают фазу одной из волн относительно другой на угол α в пределах 0 < α < (360^o х S), кроме значений α = 360^o х S, где S - любые целые числа, направляют обе волны на поверхность среды так, что линии распространения ЭМВ от двух антенн пересекают границу среды, устанавливают изменением положения антенн в пространстве углы ϕ₁ и ϕ₂ между линиями n₁ и n₂ распространения ЭВМ и перпендикуляром к поверхности среды в пределах 0 < < 90^o, причем выбирают эти углы в пределах 0 < < 90^o, при этом обеспечивают соотношения
0 ≅ l₁ < (L₁ + L₂) и 0 ≅ l₂ < (L₁' + L₂'),
где l₁ - расстояние между точками пересечения линий распространения ЭМВ с входной границей среды;
l₂ - расстояние между точками пересечения линий распространения ЭМВ с выходной границей среды;
L₁, L₂ - максимальные размеры длин сечений волновых фронтов основной и дополнительной ЭМВ с поверхностью входной границы среды;
L₁', L₂' - максимальные размеры длин сечений волновых фронтов основной и дополнительной ЭМВ с поверхностью выходной границы среды,
и поддерживают на поверхностях входной и выходной границ среды разности фаз двух волн в пределах 0 < < (360^o х S), кроме значения = 360^o х S.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительную ЭМВ создают с частотой ω₂, отличной от частоты ω₁ основной ЭМВ на величину, при которой на входной и выходной границах среды обеспечивается разность фаз этих двух волн 0 < (Ψ₁-Ψ₂) < 360^o x S, кроме значений = 360^o х S.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при создании дополнительной ЭМВ пропускают основную волну через делитель мощности.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при создании дополнительных ЭМВ, количество которых вместе с основной достигает кратности 2, генерируют их по меньшей мере от одного дополнительного источника электромагнитной энергии, направляют и пропускают через среду попарно.

5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что для поддержания углов ϕ₁ и ϕ₂ в пределах 0 < < 90^o и 0 < < 90^o используют n₀ входных слоев самой среды, общее количество n₀ выбирают в пределах 1 ≅ n₀ ≅ 10².

6. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что для поддержания углов ϕ₁ и ϕ₂ в пределах 0 < < 90^o и 0 < < 90^o располагают на входной поверхности среды дополнительно n₀ входных слоев, обеспечивая соотношения расстояний l₁' между точками пересечения линий распространения ЭМВ с поверхностью i-го слоя, где 1 ≅ i ≅ n₀ + 1 с максимальными размерами длины сечений волновых фронтов L₁' и L₂' обеих волн с поверхностью i-го слоя в пределах 0 < l₁' < (L₁' + L₂').

7. Способ приема электромагнитных волн, переданных через среду, включающий прием ЭМВ, их преобразование, регистрацию, отличающийся тем, что при приеме основной и дополнительной ЭМВ настраивают приемные антенны на выходную границу среды, создавая попарно области взаимодействия волновых фронтов с диаграммой направленности приемных антенн, и принимают ЭМВ после выхода их из среды под углами ϕ₁ и ϕ₂ соответственно вдоль линий распространения основной и дополнительной волн, обеспечивают равенство фаз обеих волн, сдвигая фазу одной из принятых волн относительно другой на угол β, который выбирают в пределах 0 < β < 360^o, регулируя разность фаз обеих волн в пределах соотношения 0 < < 360^o х S, кроме значений < 180^o x М, где М - любое нечетное число, после чего суммируют эти ЭМВ и передают суммарный сигнал в приемник.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что настраивают приемное устройство на одну из двух передаваемых частот ω₁ или ω₂, имеющую большую величину.

9. Устройство для передачи ЭМВ через среду, содержащее источник ЭМВ, средства преобразования параметров и передающую систему, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним дополнительным источником ЭМВ, который вместе с основным источником образует два плеча распространения ЭМВ, соединенных с двумя входами средства преобразования параметров, выполненного в виде одного из плеч распространения ЭМВ, последовательно связанного через элемент сдвига фазы с одной из двух антенн передающей системы, в которую входит волна с фазой α₁, и другого плеча, соединенного с второй антенной, в которое входит вторая ЭМВ с фазой причем элемент сдвига фазы обеспечивает регулирование разности фаз двух волн в пределах 0 < < 360^o х S, кроме значений = 360^o х S, где S - любые целые числа, а антенны размещены так, чтобы направления их излучений пересекались бы на поверхности среды, при этом передающая система содержит приспособления, обеспечивающие линейные и/или угловые перемещения обеих антенн в пространстве, и ее поворотные системы дают возможность управлять углами ϕ₁ и ϕ₂ в пределах 0 ≅ < 90^o при соблюдении условия, что 0 < < 90^o и расстояниями l₁ и l₂ в пределах 0 ≅ l₁ < (L₁ - L₂) и 0 ≅ l₂ < (L₁' + L₂').

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве дополнительного источника ЭМВ может быть использован генератор ЭМВ.

11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве дополнительного источника ЭМВ может быть использован ретранслятор, излучающий ЭМВ.

12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в качестве дополнительного источника ЭМВ может быть использовано любое другое устройство, излучающее ЭМВ.

13. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в средстве преобразования параметров между выходом элемента сдвига фазы и входом первой антенны включен первый направленный ответвитель, другой вход средства преобразования параметров соединен через второй направленный ответвитель с второй излучающей антенной, при этом направленные ответвители в обоих плечах соединены также между собой фазометром, на входы которого поступают с направленных ответвителей ЭМВ с фазами соответственно, фазометр через блок корректирующей обратной связи электрически соединен с элементом сдвига фаз причем конструктивные особенности его обусловлены соотношением фаз в пределах 0 < < 360^o x S, кроме значений = 360^o x S.

14. Устройство по п.9, или 10, или 11, или 12, или 13, отличающееся тем, что элемент сдвига фаз выполнен в виде фазовращателя.

15. Устройство для приема электромагнитных волн, прошедших через среду, содержащее средство приема, а также средство выделения и регистрации, отличающееся тем, что средство выделения и регистрации прошедших через среду ЭМВ выполнено в виде приемной системы, состоящей из двух приемных антенн, причем они конструктивно выполнены так, что обеспечивают возможность линейного перемещения и поворота, и взаимосвязаны так, чтобы обеспечить прием вдоль линий распространения принимаемых волн и создать область пересечения диаграммы направленности каждой приемной антенны с соответствующим волновым фронтом прошедших через среду ЭМВ, что позволяет настраивать попарно приемные антенны на выходную поверхность среды под углами ϕ₁ и ϕ₂, при этом каждая антенна соединена последовательно с соответствующим направленным ответвителем, а они подсоединены к двух входам фазометра, причем один из них подсоединен также к фазовращателю и передают при этом ЭМВ с фазами при этом фазометр через блок корректирующей обратной связи электрически соединен с фазовращателем для корректировки угла фазы взаимосвязанного с углом фазы α₂ соотношением фаз выбираемых в пределах 0 < < 360^o х S, кроме значений = 360^o x S, одновременно выход фазовращателя и выход направленного ответвителя соединены с входом сумматора, а выход сумматора соединен с приемником.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 27.05.2006        БИ: 15/2006