Способ беспроводной передачи, приёма информации и реализующее его устройство

Предлагаемое изобретение относится к области передачи, приема информации с применением магнитоэлектрических волн и может быть использовано при разработке и создании наземных, спутниковых радиолиний как в традиционном радиочастотном спектре, так и в звуковом диапазоне частот. Технический результат состоит в повышении защищенности каналов передачи. Для этого в способе и устройстве применяются магнитоэлектрические волны, магнитные антенны и модуляция информационными сигналами магнитного поля на промежуточной частоте, а излучение радиосигнала на номинальной частоте. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области передачи, приема информации с применением магнитоэлектрических волн и может быть использовано при разработке и создании наземных, спутниковых радиолиний, обеспечивающих их информационную безопасность.

Известен способ (прототип) беспроводной передачи, приема информации посредством излучения, приема электромагнитных волн, при котором электрическими колебаниями в форме сообщения модулируют высокочастотные электромагнитные колебания, возбуждают в реализующем устройстве колебания тока высокой частоты в свободные электромагнитные волны путем излучения в окружающее пространство, а на приемном конце производят обратное преобразование, при котором электромагнитные волны тока высокой частоты, возбуждаемые в приемной антенне, преобразуют в электрические колебания тока в форме сообщения и детектируют, извлекая информацию.

Основной недостаток известного способа - большие трудности защиты передаваемой информации (информационной защиты) и использование мириаметровых колебаний (волны) менее 9 кГц (ниже 33 км).

Изложенный недостаток информационных каналов (радиолиний) типичен для всех наземных спутниковых радиотехнических систем, поскольку в них, в отличие от проводных, демаскирующие признаки доминируют не в топологической, а в информационно-сигнальной зоне. Поэтому обеспечение информационной безопасности, использование мириаметровых воли менее 9 кГц (ниже 33 км) требует немалых комплексных затрат.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка принципиально нового способа передачи, приема информации, использующего магнитную антенну магнитоэлектрических волн (колебаний), и разработка принципиально нового реализующего устройства - магнитной антенны, излучающей и принимающей магнитоэлектрические волны.

Задача решается за счет:

- применения способа беспроводной передачи, приема информации посредством электромагнитных волн, при котором током электрических колебаний в форме сообщения модулируют высокочастотные колебания, возбуждают в реализующем устройстве высокочастотные электрические колебания в свободные электромагнитные волны путем излучения их в определенных направлениях, а на приемном конце производят обратное преобразование. Электромагнитные волны, возбуждаемые в реализующем устройстве, преобразуют в электрические колебания в форме сообщения и извлекают сообщения путем детектирования. Передача, прием информации осуществляют посредством магнитоэлектрических волн, при котором токами электрических колебаний в форме сообщения модулируют напряжение питания реализующего устройства, возбуждают в реализующем устройстве круговое магнитное поле, затем преобразуют возбуждаемое круговое магнитное поле в свободные магнитоэлектрические волны путем излучения их в определенных направлениях. На приемном конце производят обратное преобразование, при котором магнитоэлектрические волны, возбуждаемые в реализующем устройстве, преобразуют в электрические колебания в форме сообщения и извлекают сообщения путем детектирования;

- применения реализующего способ устройства беспроводной передачи, приема информации, содержащего магнитную антенну магнитоэлектрического поля, выполненную в форме многофазной кольцевой обмотки, источники многофазного тока, входные фильтры, регуляторы напряжения и преобразователи.

Возникновение в окружающем антенну пространстве переменного магнитного поля в результате изменения электрического поля есть не что иное, как явление электромагнитной индукции. Соответственно, возникновение в пространстве кругового вращающегося электрического поля в результате изменения кругового вращающегося магнитного поля есть не что иное, как явление магнитоэлектрической индукции, открытое на основе опыта М. Фарадея в 1831 году.

Таким образом, экспериментально была доказана взаимная связь электрических полей с магнитными полями и наоборот, магнитных полей с электрическими, т.е. изменение одного из них вызывает в окружающем пространстве появление другого (Г.Б. Белоцерковский. Основы радиотехники. «Сов. радио», М., 1968).

На практике в настоящее время применяются только электромагнитные волны (электромагнитные колебания), и, соответственно, передачу, прием информации производят с использованием только электрических антенн.

Основной недостаток реализующего устройства известного способа - неосуществимые линейные размеры на низких частотах (волнах) радиочастотного спектра (РЧС).

Магнитная антенна как элемент магнитного тока не может быть осуществлена, поскольку в природе нет магнитного тока. Но если антенной изначально создается магнитное поле, то по первому уравнению Максвелла изменение магнитного поля вызывает электрическое поле. Но эти поля уже не связанные, а свободные, поскольку они не связаны с какими-то зарядами, токами. То есть можно создать реализующее устройство предлагаемого изобретения, реализовав в устройстве свойства элемента магнитного тока - магнитную антенну.

Поскольку способы создания электромагнитных волн и магнитоэлектрических волн разные, то электромагнитные и магнитоэлектрические волны независимы. То есть магнитные антенны не могут принимать, излучать электромагнитные волны, а электрические не могут излучать, принимать магнитоэлектрические волны.

Рассмотренная выше физическая сущность магнитоэлектрических волн, магнитоэлектрического поля позволяет реализовать предложенное изобретение, создав реализующее устройство, в котором используются магнитные антенны.

На фиг.1 представлено реализующее устройство - магнитная антенна предложенного изобретения с круговым вращающимся магнитным полем, представляющим собой трехфазную кольцевую обмотку A-X, B-Y, C-Z, каждая из которых состоит из четырех катушек.

Фазы обмоток A-X, B-Y и C-Z соединяются по схеме звезды или треугольника и подключаются к сети трехфазного тока.

Фаза A-X состоит из четырех катушек, образованных проводниками 1-8, 2-7, 13-20 и 14-19. Соответственно фаза B-Y - из четырех катушек, образованных проводниками 5-11, 6-12, 17-24 и 18-23, а фаза C-Z - из четырех катушек, образованных проводниками, лежащими в пазах 9-16, 10-15, 21-4 и 22-3.

Три одинаковые фазовые обмотки кольцевой магнитной антенны расположены так, что их оси сдвинуты относительно друг друга в пространстве на угол 120° (фиг.1). Тогда через фазовые обмотки будут протекать токи:

;

;

.

Положительное направление токов обозначено на фиг.1 с помощью точек и крестиков; точкой обозначено острие, а крестиком - конец стрелки, соответствующей по направлению с током.

При пропорциональной зависимости индукций от токов мгновенные значения индукций фаз выражаются следующим образом:

;

;

,

где B_m - амплитуда индукции на оси каждой фазовой обмотки, ω - угловая скорость, t - время, π=180°.

Результирующий вектор индукции определяется сложением векторов , , .

.

Результирующий вектор магнитного поля магнитной антенны имеет постоянный модуль, равный 1,5 B_m, и равномерно вращается с угловой скоростью ω, т.е. получается круговое вращающееся магнитное поле.

Для изменения направления вращения поля достаточно поменять местами токи в каких-нибудь двух фазовых обмотках, например токи i_B и i_C.

Линии магнитной индукции замыкаются по воздушному кольцу кольцевой магнитной антенны. Место выхода линий индукции можно рассматривать как северный полюс, а место входа как южный полюс магнитного поля магнитной антенны.

Кривая распределения индукции B вдоль воздушного зазора магнитной антенны имеет ступенчатую форму, которая при большом числе проводников в фазовых обмотках близка к трапеции с углом наклона боковой стороны 60° и может быть приближенно заменена синусоидой.

Синусоидальный ток частоты f, проходя через фазовую обмотку магнитной антенны, создает поле, пульсирующее с той же частотой. Таким образом, магнитное поле одной фазы изменяется синусоидально как во времени, так и в пространстве по окружности воздушного зазора магнитной антенны.

За один период переменного тока такое магнитное поле совершит один оборот, а за 1 минуту 60 f оборотов.

Информационная защита радиолиний, информационных каналов осуществляется как за счет применения предлагаемого изобретения и реализующего его устройства, в которых применяют магнитоэлектрические волны, магнитные антенны, так и за счет модуляции информационными сигналами магнитного поля каждой фазы магнитоэлектрического поля на промежуточной частоте, а излучают радиосигналы на номинальной частоте.

Положительный эффект использования предложенного технического решения заключается в следующем.

Линейные размеры магнитных антенн не зависят и не определяются частотами используемого РЧС.

Развитие спутниковых и наземных радиолиний в настоящее время является одним из наиболее перспективных направлений инфокоммуникационной отрасли. Объектом пристального внимания заказчиков инфокоммуникационных систем (ИКС) являются проблемы несанкционированного использования, обеспечения защищенности радиолиний, государственной безопасности и решения вопросов, связанных с распределением и использованием РЧС.

Радиоспектр является весьма ценным и ограниченным природным ресурсом. Частоты являются общим знаменателем всех систем радиоэлектроники, и их запас ограничен уровнем развития техники и природными ограничениями. В любом реалистичном рассмотрении решения проблем несанкционированного использования, обеспечения защищенности радиолиний, государственной безопасности, распределения и использования РЧС предлагаемое изобретение обеспечивает их решение.

В ближайшее десятилетие на базе предложенного технического решения может быть создан сверхзащищенный вид связи, который откроет возможности для развития новых видов коммуникаций, упростит и обезопасит процедуру мобильных платежей, военную связь, спутниковую навигацию, обеспечит надежную защиту личной информации, банковских транзакций,

Анализ известных решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков, сходных с совокупностью признаков предложенного решения.

Таким образом, предложенный способ беспроводной передачи, приема информации и реализующее его устройство соответствует критериям новизны, изобретательскому уровню, промышленной применимости и дает при использовании положительный эффект.

1. Способ беспроводной передачи, приема информации посредством электромагнитных волн, при котором преобразуют возбуждаемые в электрической антенне электрические колебания тока, изменяющиеся по закону передаваемой информации путем модуляции, в свободные электромагнитные волны путем излучения их передающей электрической антенной, а на приемном конце производят обратное преобразование, при котором преобразуют возбуждаемые в электрической антенне электромагнитные волны путем их приема электрической антенной в электрические колебания, затем преобразуют электрические колебания в низкочастотный информационный электрический сигнал и извлекают информацию путем детектирования, отличающийся тем, что преобразуют возбуждаемые магнитные колебания, изменяющиеся по закону передаваемой информации путем их модуляции, в магнитоэлектрические волны путем излучения передающей магнитной антенной, а на приемном конце производят обратное преобразование, при котором преобразуют возбуждаемые в магнитной антенне магнитоэлектрические волны путем их приема магнитной антенной в магнитные колебания, затем магнитные колебания преобразуют в информационный электрический сигнал.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в магнитной антенне возбуждают фазовыми токами кольцевой обмотки магнитной антенны магнитные колебания, промодулированные передаваемой информацией, путем нелинейного преобразования гармонических колебаний с помощью управляющего сигнала.