СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРИЕМА ПОВЕРХНОСТНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ В ПРОВОДЯЩЕЙ ЛИНИИ
METHOD AND DEVICE FOR EXCITATION AND RECEPTION OF SURFACE ELECTROMAGNETIC WAVE IN THE CONDUCTING LINE

Настоящее изобретение относится к способу и устройству передачи электромагнитных сигналов, в том числе к однопроводным линиям передачи информации, а именно к способу и устройству для возбуждения и приема поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) сверхвысокой частоты (СВЧ), распространяющейся по проводящим линиям.
Под «проводящей линией» подразумевается протяженная конструкция, изготовленная из проводящего материала. Характерный размер поперечного сечения конструкции должен быть много меньше характерной длины линии (теоретически - бесконечной). Наибольший практический интерес представляют уже существующие конструкции, например: линии электропередачи, трубопроводы, проводка, рельсы и т.д. Так как прием электромагнитной волны в соответствии с принципом обратимости представляет собой процесс, обратный по отношению к возбуждению, и может осуществляться тем же устройством, что и возбуждение, далее, говоря о возбуждении ПЭВ, будет подразумеваться, что все, что касается возбуждения ПЭВ, относится и к ее приему.
ПЭВ, как и обычная, объемная электромагнитная волна, представляет собой распространение в пространстве возмущений электромагнитного поля. Но структура и свойства ПЭВ обуславливается текущими в проводящей линии токами, возбуждаемыми электромагнитным полем ПЭВ.
Основное отличие электромагнитного поля ПЭВ от поля объемной электромагнитной волны, распространяющейся в свободном пространстве, в том, что поле ПЭВ, как следует из названия, локализовано вблизи поверхности проводящей линии. С увеличением расстояния от нее напряженность поля экспоненциально убывает. Другой особенностью ПЭВ является то, что она распространяется в виде Е-волны: электрическая компонента поля имеет как радиальную, так и продольную составляющую, а магнитная компонента поля содержит только азимутальную составляющую.
Нахождение проводящей линии в поле ПЭВ приводит к возбуждению в ней высокочастотного электрического тока, который в свою очередь обуславливает возникновение электромагнитного поля ПЭВ. В конечном итоге это приводит к возбуждению ПЭВ во всей проводящей линии [1].
Из предшествующего уровня техники известен способ возбуждения ПЭВ путем создания вблизи проводящей линии локального высокочастотного электромагнитного поля, соответствующего полю ПЭВ. Известной реализацией такого способа возбуждения ПЭВ является линия Губо, названная в честь ее изобретателя Георга Губо [2].
Линия Губо представляет собой специально создаваемую конструкцию, включающую проводящую линию и передающую и приемную антенны. В качестве проводящей линии используется проводник круглого сечения, покрытый слоем диэлектрика.
Антенна линии Губо представляет собой рупор конической формы длиной порядка длины волны и диаметром основания порядка половины длины волны СВЧ сигнала, расширяющийся в направлении излучения (в случае передающей антенны).
Электромагнитное поле, соответствующее полю ПЭВ, создается путем приложения разности потенциалов между проводящей линией и антенной. В простейшем случае антенна подключается к источнику СВЧ сигнала с помощью коаксиального кабеля, который соединяется с проводящей линией и антенной. В более сложных конструкциях сигнал подается через систему волноводов.
В результате в ближней зоне антенны формируется переменное электрическое поле, сходное по своей структуре с электрическим полем ПЭВ. Это поле создает высокочастотный ток в проводящей линии, обуславливающий электромагнитное поле ПЭВ, что приводит к возбуждению ПЭВ.
Такой способ возбуждения ПЭВ имеет следующие недостатки:
1. Необходимость электрического соединения источника сигнала с проводящей частью проводящей линии, то есть отсутствие гальванической развязки. При наличии высокого электрического напряжения на проводящей линии это может привести к обычным для такого подключения последствиям - возникновению больших выравнивающих токов между проводящей линией и источником сигнала, что в свою очередь может привести к выходу из строя электрических компонентов и поражению людей, прикасающихся к подключенному оборудованию. Так как особый практический интерес представляет использование в качестве проводящей линии линий электропередачи, в том числе высоковольтных, этот недостаток может иметь ключевое значение.
2. Необходимость электрического соединения источника сигнала с проводящей частью проводящей линии, покрытого диэлектрической оболочкой. В этом случае для подключения приходится нарушать целостность покрытия. Для самой линии Губо, которая служит исключительно для передачи сигнала, это не так важно, но при использовании в качестве проводящих линий существующих конструкций может иметь принципиальное значение. Примером такой проводящей линии может быть трубопровод из металлопластиковых труб. В них пластик, покрывающий металл, выполняет несущую функцию, и его повреждение приводит к разрушению силовой конструкции и дальнейшему разрыву.
3. Принципиально ограниченный минимальный размер антенны. Так как необходимое для возбуждения ПЭВ электромагнитное поле создается за счет приложения СВЧ разности потенциалов, характерный размер антенны должен иметь тот же порядок, что и характерный размер изменения параметров поля, который в свою очередь имеет порядок длины волны. При дальнейшем уменьшении размера, воссоздать структуру электромагнитного поля становится невозможным.
Кроме того, антенна линии Губо, как устройство для возбуждения ПЭВ обладает дополнительными недостатками:
1. Большой размер. Это затрудняет монтаж устройства, а в случае, когда вблизи проводящей линии расположены другие конструкции, делает его невозможным. Кроме того, так как антенна крепится в районе основания рупора, это предъявляет дополнительные требования к жесткости конструкции. Так как рупор возбуждает ПЭВ с одной стороны проводящей линии, при необходимости возбуждения в обоих направлениях, требуется ставить две антенны, и размер излучателя увеличивается вдвое.
2. Антенна устанавливается только на проводящие линии круглого сечения, то есть не может использоваться, например, на балках и шинах заземления, а тем более в тех случаях, когда сечение проводящей линии не является ограниченной фигурой (например, рельс железной дороги).
3. Антенна не может монтироваться на уже существующих конструкциях без нарушения их целостности.
Другим устройством для возбуждения ПЭВ является антенна, разработанная компанией Sprint [3]. Антенна сделана разъемной, что позволяет монтировать ее на существующие проводящие линии. Антенна использует тот же способ возбуждения и ту же форму, что и антенна линии Губо, а потому ей присущи большинство ее недостатков.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является устройство, запатентованное Гленом Элмором [4]. В нем используется тот же способ возбуждения ПЭВ, что и в антенне линии Губо, но за счет особой формы образующей удалось повысить эффективность работы и уменьшить размер. Кроме того, антенна имеет продольный разрез, что позволяет устанавливать ее на существующие линии электропередачи.
В то же время, так как в основе ее работы заложены те же принципы, что и в антенне линии Губо, указанное устройство обладает теми же недостатками: необходимость электрического подключения источника сигнала к проводящей части проводящей линии, невозможность использования проводящих линий некруглого и неограниченного сечения, большой размер.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа и устройства для бесконтактного возбуждения ПЭВ не только в специально созданных, но и существующих проводящих линиях любой конфигурации и расположения.
Поставленная задача решается за счет применения способа возбуждения и приема ПЭВ в проводящей линии, включающего создание соответствующего ПЭВ электромагнитного поля, отличающийся тем, что высокочастотный ток в проводящей линии, обуславливающий электромагнитное поле поверхностной волны, создается замкнутыми электрическими токами, протекающими вне проводящей линии.
Требуемое для возбуждения ПЭВ электромагнитное поле возникает, когда замкнутые СВЧ токи текут в плоскостях, содержащих проводящую линии, но при этом не заходят в саму проводящую линию. Такие токи индуцируют переменное магнитное поле, направленное в азимутальном направлении относительно проводящей линии - перпендикулярно плоскости тока. Магнитное поле в свою очередь индуцирует переменное электрическое поле в продольном направлении. В результате получается конфигурация электромагнитного поля, приводящая к возбуждению ПЭВ.
Сама проводящая линия в создании требуемого электромагнитного поля никак не задействуется. Это дает принципиальную возможность бесконтактного возбуждения ПЭВ.
При этом каких-либо ограничений на минимальный размер линии тока нет. Теоретически для реализации настоящего способа возбуждения ПЭВ могут применяться витки тока нулевого радиуса.
Устройство, реализующее настоящий способ, включает не контактирующую с проводящей линией проводящую поверхность, отличается тем, что проводящая поверхность имеет форму, топологически подобную тору или его сегменту.
Поверхность устройства не должна соприкасаться с проводящей линией, что обеспечивает бесконтактный способ возбуждения ПЭВ. Простейшим примером устройства может быть собственно тор, изготовленный из проводящего материала.
При возбуждении такого устройства на резонансной частоте (например, с помощью токовой петли), в нем возникает конфигурация токов, текущих в плоскости проводящей линии. Данная конфигурация токов индуцирует переменное азимутальное магнитное поле, которое обеспечивает формирование электромагнитного поля, требуемого для возбуждения ПЭВ.
На фиг. 1 представлен общий вид устройства, где:
1. Проводящая поверхность.
2. Разрез.
3. Резьбовое соединение.
4. Проводящая линия.
На фиг. 2 представлено устройство в разрезе, где:
5. Диэлектрик.
6. СВЧ разъем.
7. Подстроенный конденсатор.
На фиг. 3 представлено устройство незамкнутой эллиптической формы.
На фиг. 4 представлено электрическое поле, создаваемое устройством.
На фиг. 5 представлено магнитное поле, создаваемое устройством.
На фиг. 6 представлено распределение электрических токов в устройстве.
Возбуждение устройства может производиться путем создания внутреннего магнитного поля, например, с помощью токовой петли. Также возбуждение устройства можно производить путем создания СВЧ разности потенциалов на сторонах разреза на проводящей поверхности устройства, линия которого полностью или частично охватывает проводящую линию.
На фиг. 1 показано устройство в виде тороподобной поверхности прямоугольного сечения (поз. 1) с разрезом (поз. 2) посредине внешней поверхности. Конфигурация токов, возникающая на резонансной частоте устройства, показана на фиг. 5. На фиг. 2 показан разъем для подключения коаксиального кабеля, который закрепляется вблизи одной стороны разреза, а его центральная жила присоединяется к корпусу с другой стороны разреза.
Наиболее эффективно устройство может работать на резонансной частоте. Резонансная частота устройства близка к частоте такой, что периметр устройства составляет четверть длины волны электромагнитного излучения на этой частоте. Таким образом, ширина устройства равна 1/16 длины волны (для квадратного сечения). То есть размеры устройства существенно меньше аналогов, что позволяет монтировать его на существующие линии, проложенные в ограниченном пространстве. Одновременно это упрощает монтаж и снижает вес устройства.
Параметры устройства, в том числе резонансную частоту, можно менять за счет заполнении внутреннего пространства диэлектриком. Диэлектрик может заполнять внутреннее пространство и разрез целиком или частично.
Также параметры устройства можно изменять, размещая в разрезе элементы электронных устройств (конденсаторы, резисторы и т.д.). На фиг. 2 показан подстроенный конденсатор (поз. 7), подключенный к сторонам разреза. Его наличие позволяет осуществлять точную настройку резонансной частоты устройства.
Так как токи текут в плоскости проводящей линии, конструкция устройства может быть разрезана вдоль сечения такой плоскостью без изменения структуры токов. Эта особенность позволяет сделать устройство составным, что позволяет монтировать устройство в любом месте проводящей линии, не нарушая целостности последнего. На фиг. 1 в качестве примера показано устройство, конструкция которого выполнена из двух одинаковых полукруглых частей, соединенных между собой резьбовым соединением (поз. 3). При необходимости форма и количество частей, а также вид соединения могут быть изменены.
Тороидальная форма устройства оптимальна для проводящих линий круглого сечения. Если характерная ширина и высота сечения проводящей линии существенно отличаются (например, если в качестве проводящей линии используется металлическая полоса), то эффективность возбуждения ПЭВ устройством тороидальной формы падает. В таком случае целесообразно применять устройство другой формы, топологически подобной тору.
Также может применяться устройство топологически подобное сегменту тора. Это может быть необходимо в тех случаях, когда проводящая линия из-за своих особенностей или особенностей расположения не может быть окружена со всех сторон. Примером такой проводящей линии может быть рельс железной дороги. Устройство такого вида может использоваться и на обычных проводящих линиях. Это позволяет ценой несущественного ухудшения характеристик осуществлять монтаж в произвольном месте проводящей линии, что может быть альтернативой применения составного устройства.
На фиг. 3 в качестве примера показано устройство формы, топологически подобной сегменту тора. В качестве иллюстрации возможных вариантов исполнения устройства, сечение тоже выбрано эллиптическим.
Устройство с сечением прямоугольной формы с разрезом может быть изготовлено из деталей, вырезанных из листа меди или ее сплавов и спаянных между собой. Для обеспечения жесткости и постоянства размера зазора внутренний объем может быть заполнен диэлектриком с низким коэффициентом диэлектрических потерь на СВЧ.
Были проведены испытания на используемом в высоковольтных линиях электропередач проводе диаметром 10 мм, которые показали возможность осуществления связи между двумя устройствами с потерями порядка 0.1 дБ/м на частоте 416 МГц, что существенно ниже, чем потери в коаксиальном кабеле. Также была экспериментально показана качественная возможность передачи сигнала, в том числе с помощью незамкнутого устройства, по существующим проводящим линиям: шинам заземления, проводам электропередачи, трубам отопления, железнодорожным рельсам.
Источники информации
1. Антонов А.С., Султан-Заде Т.Т. Распределение полей в коаксиальной и однопроводной линии. - М.: Естественные и технические науки, №2(64) 2013. ISSN 1684-2626.
2. Патент US 2685068, 27.07.1954 - прототип.
3. Патент US 8237617, 07.08.2012.
4. Патент US 2009284435, 19.11.2009 - прототип.