СПОСОБ ПРИЕМА РАДИОВОЛН
METHOD OF RECEIVING RADIO WAVES

Изобретение относится к области радиосвязи и телевизионного приема.
Известен способ приема радиоволн, в котором конвертация электромагнитного излучения радиочастотного диапазона в электрический ток производится с помощью антенны, представляющей собой одиночный вибратор (см. книгу: Миллер Г. Антенны. Практическое руководство. - СПб.: Наука и техника, 2012, стр. 24-25).
Недостатком такого способа приема радиоволн является то, что такая антенна не концентрирует электрическое поле в точке приема сигнала, то есть не увеличивает напряженность электрического поля в непосредственной близости от вибратора. Другим недостатком такого способа приема радиоволн является низкая реальная чувствительность одиночных вибраторов. Усиление таких антенн при приеме сигнала по отношению к изотропному излучателю колеблется в диапазоне 1-3 dB.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приема радиоволн, в котором приемное устройство представляет собой двухзеркальную антенну (см. книгу: Миллер Г. Антенны. Практическое руководство. - СПб.: Наука и техника, 2012, стр. 272-276). Двухзеркальная антенна (Backfire Antenna) была предложена в 1960 году Эреншпеком. Существуют две версии этой антенны. В качестве прототипа наиболее подходит короткая двухзеркальная антенна. Антенна имеет один активный элемент и два плоских отражателя. Антенна обеспечивает усиление 13 dB. Оба отражателя выполнены из мелкоячеистой металлической сетки. Активный элемент (вибратор) размещен на расстоянии 0,25λ от главного и вспомогательного отражателей. Здесь λ - длина волны. При работе антенны возникает стоячая волна за счет отражения от главного и вспомогательного отражателей. Вибратор установлен в пучности стоячей волны, где амплитуда сигнала в два раза выше, чем в пришедшей электромагнитной волне. Тем самым в прототипе обеспечивается концентрация электромагнитного поля в месте расположения антенны за счет создания стоячей волны отражателями. Однако сам активный элемент двухзеркальной антенны не увеличивает напряженность электрического поля в районе расположения вибратора.
Недостатком прототипа является то, что вибратор антенны не концентрирует электрическое поле в точке приема, то есть не увеличивает напряженность электрического поля около активного элемента.
Цель предлагаемого способа приема радиоволн - увеличение напряженности электрического поля в месте приема, что позволяет увеличить дальность уверенного телевизионного и радиоприема.
Технический результат от использования предложенного способа приема радиоволн состоит в увеличении дальности уверенного телевизионного и радиоприема. Это обеспечивается тем, что слабое электрическое поле усиливается путем его концентрации на острой кромке лезвия вибратора до величины, при которой обеспечивается нормальное функционирование антенны. Концентрация электрического поля в месте приема увеличивает напряженность электрического поля около антенны. Приемник, реализующий заявляемый способ приема радиоволн, способен уверенно принимать сигнал, который другими приемниками, размещенными в этой же точке, принят не будет, поскольку для них сигнал в точке приема не увеличивается и поэтому будет слабее собственных шумов антенны и первого каскада усиления и после усиления будет подавлен более мощным шумом. Заявляемый способ приема радиоволн обладает повышенной реальной чувствительностью и может использоваться при дальнем распространении радиоволн. При дальнем распространении радиоволн на уровень сигнала начинают влиять множество условий: изменение погоды, наличие дождя или снежных осадков, магнитные бури, пятна на Солнце. Требования к комнатной телевизионной антенне еще более жесткие, чем к внешней антенне. Если внешняя антенна может быть любых размеров, то комнатная антенна должна быть компактной. Это не позволяет использовать высокоэффективные типы антенн, имеющие большие габариты. На нижних этажах зданий в условиях многоэтажной городской застройки сигнал очень слабый, подвержен многократным отражениям, сильно (в десятки - сотни раз) изменяется во времени, а также при перемещении людей, животных, перестановке мебели в помещении. Напряженность электрического поля в помещении отличается даже в пределах десяти сантиметров. Затухание вносят стены, окна. Сигнал может отражаться от соседних зданий, автомобилей и других подвижных объектов и поэтому приходит к антенне не от телецентра, а с другого направления, которое постоянно изменяется. Особенно слабый сигнал будет в случае дальнего распространения радиоволн, то есть вне пределов прямой видимости. Считается, что расстояние прямой видимости не превышает 25 км. Комнатная антенна, реализующая заявляемый способ приема радиоволн, изготовлена для работы на 28 дециметровом телевизионном канале с целью обеспечения телевизионного приема цифрового сигнала первого мультиплекса в условиях крупного города. Расстояние от антенны до телецентра составляет более 45 км. При этом обеспечивается устойчивый высококачественный телевизионный прием 10 цифровых телеканалов и трех цифровых радиостанций на втором этаже девятиэтажного кирпичного дома, окруженного такими же девятиэтажными зданиями. Антенна принимает сигнал, отраженный от стены здания напротив. Использование комнатных антенн промышленного производства для приема цифрового сигнала первого мультиплекса успехом не увенчалось. Цифровой сигнал не принимался, поскольку все комнатные антенны рассчитаны на работу в зоне уверенного приема в пределах прямой видимости на расстояниях до 25 км. Применение комнатной антенны для приема цифрового телевидения имеет хорошие экономические перспективы, поскольку позволяет отказаться от услуг коллективной антенны, систем спутникового или кабельного телевидения. Названные источники сигналов являются коммерческими, их услуги постоянно дорожают. Поэтому использование комнатной антенны для дальнего приема цифрового телевидения дает хороший экономический эффект и быстро окупается. Тем более что происходит дальнейшее развитие цифрового телевизионного вещания, вводится в действие второй мультиплекс, который удвоит количество бесплатно принимаемых каналов. Применение заявляемого способа приема радиоволн позволяет увеличить дальность уверенного телевизионного и радиоприема не только для вновь проектируемых антенн, но также и для находящихся в эксплуатации, путем замены штатных активных элементов на ленточные вибраторы. Замена может быть произведена для большинства типов антенн: всех типов простейших и групповых излучателей, антенн типа «волновой канал», рамочных и активных антенн. Такая замена является экономически эффективной, поскольку стоимость вибратора намного меньше стоимости всей антенны. Правильнее заменить в антенне только один вибратор, чем полностью заменять старую антенну на более эффективную и, соответственно, более сложную и дорогую новую антенну. Из тонкой, обоюдоострой, заточенной с двух сторон металлической ленты можно выполнять все известные типы вибраторов и пассивных элементов приемных антенн. Другой результат от применения заявляемого способа приема радиоволн заключается в возможности уменьшения мощности передатчиков при той же дальности уверенного приема.
Заявляемый технический результат способа приема радиоволн путем конвертации электромагнитного излучения в электрический ток достигается тем, что для увеличения напряженности электрического поля в месте приема размещают антенну, в которой активные элементы изготавливают из тонкой, заточенной с двух краев, обоюдоострой металлической ленты.
Предлагаемый способ приема радиоволн иллюстрируется чертежами:
фиг. 1 - концентрация электрического поля в области острой кромки лезвия;
фиг. 2 - схема ленточного вибратора на проволочном каркасе;
фиг. 3 - схематический чертеж антенны;
фиг. 4 - схема ленточного вибратора в экспериментальной антенне.
Физический принцип работы способа приема радиоволн
Для увеличения напряженности электрического поля  в месте приема помещают антенну, в которой активный элемент изготавливают из очень тонкой (не более 0,05 мм), заточенной с двух краев, обоюдоострой металлической ленты. Лента должна быть заточена с двух сторон, и острота лезвия после заточки не должна превышать 1-2 мкм. Острое ребро ленточного вибратора устанавливают перпендикулярно направлению распространения волны. У острого края ленточного вибратора происходит резкое возрастание напряженности электрического поля, как показано на фиг. 1. Высокое значение напряженности электрического поля  в месте расположения вибратора приводит к возрастанию напряжения на выходе вибратора. Напряжение на выходе антенны с вибратором, выполненным из обоюдоострой тонкой металлической ленты, значительно превышает напряжение на выходе аналогичного вибратора, выполненного из проволоки, трубок или других материалов. Напряжение на выходе вибратора, выполненного из обоюдоострой очень тонкой, заточенной с двух краев, металлической ленты повышается вследствие известного физического эффекта: резкого увеличения напряженности электрического поля возле очень острых выступов (см. книгу: Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики: Учебник. В 3-х тт. Т. 2. Электрические и электромагнитные явления. 11-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2007, стр. 54). Лезвие концентрирует электрическое поле на острых гранях, увеличивает поле около антенны и напряжение на выходе антенны. Этот эффект широко используется, например, при устройстве систем защиты промышленных объектов от ударов молнии, когда высокие мачты с острыми штырями на конце, размещенные в непосредственной близости от защищаемых объектов, искривляют электрическое поле, увеличивая напряженность электрического поля в районе своего расположения. При этом напряженность электрического поля над защищаемыми объектами уменьшается до безопасной величины. В средние века эффект резкого увеличения напряженности электрического поля в окрестности объектов с острыми краями часто наблюдали на верхушках корабельных мачт в виде свечения, которое получило название огней Святого Эльма (см. книгу: Фриш С.Э., Тиморева А.В. Курс общей физики: Учебник. В 3-х тт. Т. 2. Электрические и электромагнитные явления. 11-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2007, стр. 54). В настоящее время элементы мощных радиопередающих антенных устройств, для уменьшения искрения на острых кромках, также стараются делать без острых выступов. Однако все эти примеры и рассуждения касались статического электрического поля. Будет ли существовать такой эффект для электромагнитного поля? Ответ дает система уравнений Максвелла, которая описывает все многообразие взаимодействий электромагнитного поля с веществом и условия распространения электромагнитного поля в веществе. Связь между электрической составляющей электромагнитного поля и объемной плотностью заряда в среде распространения описывается одним из уравнений Максвелла, которое называется уравнением дивергенции:
Часто уравнение (1) записывают следующим образом:
Из уравнения (2) следует, что сумма частных производных электрического поля по координатным осям равна 4πρ. Когда внешних или наведенных зарядов нет, то ρ=0. Наведенные заряды возникают вследствие воздействия электромагнитного поля на вибратор антенны. По антенне протекает высокочастотный переменный ток. Вследствие скин-эффекта, токи, обусловленные воздействием электромагнитного поля на металлический вибратор, протекают по поверхности проводника. Протекающий по вибратору ток обусловлен перемещением зарядов. Эти заряды и называются наведенными зарядами. Распределение зарядов по поверхности антенны неравномерное и определяется, в первую очередь, размерами вибратора. Кроме того, плотность наведенных зарядов зависит от толщины ленты вибратора. Чем тоньше лента, тем больше плотность наведенных зарядов. Заряд, обусловленный воздействием электромагнитного поля, будет распределяться в меньшем объеме, что и увеличивает объемную плотность заряда ρ. Особенно значительное возрастание объемной плотности наведенного заряда будет наблюдаться на острой кромке тонкой ленты. Уравнение (2) показывает, что электрическое поле зависит от наличия наведенных или привнесенных внешних зарядов. При появлении объемной плотности заряда (ρ>0) будут изменяться производные электрического поля по направлениям. Частная производная напряженности электрического поля по направлению показывает, как меняется электрическое поле в этом направлении. Если частная производная по данному направлению положительна, то напряженность электрического поля в этом направлении увеличивается, а если отрицательна, то электрическое поле в этом направлении уменьшается. Если правая часть уравнения (2) возрастает и становится больше нуля, то одна или несколько частных производных напряженности электрического поля тоже должны возрастать. Другими словами при возрастании плотности объемного заряда напряженность электрического поля по некоторым направлениям также будет возрастать. Невозмущенное электрическое поле вдали от объемного заряда будет иметь меньшую напряженность, чем в окрестности объемного заряда. Решение уравнения (1) возможно для конкретных случаев через уравнение Пуассона. Однако даже качественное рассмотрение уравнения (2) подтверждает наличие эффекта возрастания напряженности электрического поля на острой кромке ленточного вибратора. Плотность объемного заряда на острой кромке проводника резко возрастает. Объемная плотность заряда будет увеличиваться по направлению к острой кромке. Следовательно, в направлении наибольшего градиента объемной плотности заряда будет наблюдаться и наиболее резкое возрастание напряженности электрического поля. Наибольшее значение напряженности электрического поля будет иметь место в непосредственной близости от острой кромки. Ленточный вибратор, реализующий заявляемый способ приема радиоволн, представлен на фиг. 2. Для повышения механической прочности ленту можно приварить точечной сваркой к проволочному или трубчатому каркасу. Рассмотрим более подробно, к чему приводит явление концентрации электрического поля на острой кромке ленточного вибратора. В теории телевизионного и радиоприема существует понятие реальной чувствительности приемника. Она характеризует способность приемника принимать слабые сигналы в условиях шумов и внешних помех. Реальная чувствительность приемника равна эдс сигнала в антенне, при которой напряжение сигнала на выходе приемника превышает напряжение помех настолько, что обеспечивается качественное воспроизведение сигнала. Внешние помехи и собственные шумы накладываются на принимаемый сигнал и снижают реальную чувствительность приемника. Поэтому чувствительность принято характеризовать наименьшим уровнем входного сигнала, обеспечивающим на выходе усилителя заданное соотношение сигнал-шум. В радиовещании принято, что уровень входного сигнала должен превышать уровень шумов на 20 дБ (в 10 раз), а в диапазоне УКВ на 26 дБ (в 20 раз). Реальная чувствительность радиовещательных приемников высшего класса в диапазонах ДВ, СВ и KB составляет 50 мкВ, а для более низких классов 200-300 мкВ. Если прием ведется на внутреннюю магнитную антенну, то чувствительность приемника должна находиться в пределах 1-3 мВ/м. Чувствительность радиовещательных приемников среднего класса в УКВ диапазоне составляет 10-30 мкВ, а у радиовещательных приемников высшего класса 5 мкВ. Современные телевизионные приемники обладают реальной чувствительностью порядка 40 мкВ. Современные приемники мобильной связи обладают чувствительностью на уровне десятых долей микровольта. Аддитивная смесь «сигнал плюс шум» с выхода антенны поступает на первый каскад усиления телевизионного приемника. Из-за нелинейности усилителя результат усиления будет разный в зависимости от соотношения между сигналом и помехой. Важными являются два случая: С/Ш>1 и С/Ш<1. В СВЧ-диапазоне в качестве помехи выступают собственные шумы антенны и первого каскада усиления. Если эффективное значение входного сигнала больше эффективного значения напряжения собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то после усилителя отношение сигнал/шум еще более возрастет. Сильный сигнал усиливается в большей степени, чем слабая помеха. Поэтому сильный сигнал подавляет слабую помеху. Качество изображения и звукового сопровождения не будет ухудшаться из-за шумов и помех. Если уровень сигнала настолько мал, что его эффективное значение меньше эффективного значения напряжения собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то на выходе усилителя слабый сигнал будет еще более подавлен мощным шумом. Усилитель усиливает и сигнал, и шум. Но мощный шум из-за нелинейности усилителя возрастет в значительно большей степени, чем слабый входной сигнал и отношение сигнал/шум на выходе усилителя еще более упадет. В результате сигнал будет настолько искажен шумами, что телевизионный приемник не сможет воспроизвести изображение и звук телеканала, хотя уровень сигнала на выходе усилителя будет находиться в требуемых пределах. Неважно, каким коэффициентом усиления обладает антенна, но если эффективное значение входного сигнала будет меньше уровня собственных шумов антенны и первого каскада усиления, то сигнал будет настолько искажен усилителем, что приемник не сможет его воспроизвести. Повышать отношение сигнал/шум можно двумя способами. Чаше всего стараются уменьшить собственные шумы антенны и первого каскада. В первых каскадах усиления применяют высокочастотные малошумящие диоды, транзисторы и микросхемы. Для уменьшения тепловых шумов первого каскада усиления в системах космической и тропосферной связи усилитель охлаждают почти до абсолютного нуля в криостате с жидким гелием. Очевидно, что такой метод уменьшения собственных шумов можно применять не везде и не всегда. Второй способ увеличения отношения сигнал/шум на входе системы заключается в увеличении уровня входного сигнала в точке приема. Например, в прототипе для увеличения напряженности электрического поля в точке приема используют явление интерференции между прямой и отраженной (от экрана) электромагнитной волной. При интерференции прямой и отраженной волн образуется стоячая волна, амплитуда которой зависит не только от времени, но и от координаты точки наблюдения. Так в узлах уровень сигнала равен нулю, а в пучностях напряженность электрического поля в два раза превышает напряженность электрического поля в прямой и обратной волне. Если вибратор поместить в пучность стоячей волны, то напряжение на выходе антенны удвоится. Однако для увеличения напряженности электрического поля в точке приема можно использовать и другие физические законы. Так в заявляемом способе приема радиоволн задачу увеличения уровня сигнала на входе антенны решают за счет концентрации напряженности электрического поля на острой кромке антенного вибратора. При этом собственные шумы антенны и первого каскада усиления не возрастают, следовательно, отношение сигнал/помеха увеличивается. Это означает, что заявляемый способ приема радиоволн способен работать с более низкой напряженностью электрического поля, при которой другие антенны даже с более высоким коэффициентом усиления не будут нормально функционировать, поскольку в них собственные шумы и внешние помехи будет подавлять слабый полезный сигнал и принимаемая информация будет искажена. Применение заявляемого способа приема радиоволн позволяет также уменьшить мощность передающего устройства при заданной дальности связи. Замена вибраторов в существующих и уже установленных антеннах позволит резко улучшить качество приема и повысить дальность уверенного приема сигнала. Во многих случаях вместо внешних антенн можно применять малогабаритные комнатные антенны с ленточными вибраторами. Это особенно важно при переходе на цифровой формат вещания.
Устройство, реализующее предлагаемый способ приема радиоволн, представлено на фиг. 3. Антенна представляет собой вибратор, расположенный за плоским отражателем. Отражатель содержит три панели из фольгированного стеклотекстолита. Основная панель отражателя установлена параллельно плоскости вибратора, а две другие размещены сверху и снизу относительно основной панели отражателя под углом к ней. Отражатель и вибратор размещены на шасси. Активный элемент антенны представляет собой проволочный полуволновый петлевой вибратор, на котором размещены пластины с очень острыми кромками. В качестве таких пластин использованы обоюдоострые лезвия для безопасной бритвы. Лезвия установлены на проволочном каркасе по всей длине вибратора. Плоскость лезвия перпендикулярна плоскости вибратора (фиг. 4). Полуволновый петлевой вибратор имеет на резонансной частоте сопротивление 300 Ом, поэтому для согласования с коаксиальным кабелем сопротивлением 75 Ом использовано полуволновое U-колено. Такой вид согласования хорош тем, что при этом происходит и симметрирование антенны. Для увеличения входного сигнала, вибратор установлен в пучности стоячей электромагнитной волны на расстоянии  от отражателя. Здесь λ - длина волны, на которую настроен вибратор. В пучности стоячей волны амплитуда сигнала удваивается. Для увеличения входного сигнала используются два физических явления. Во-первых, используется явление возрастания электромагнитного поля у острой кромки тонкого ленточного вибратора, заточенного с двух сторон. Вторым физическим явлением, повышающим уровень сигнала в антенне, является использование стоячих волн (см. книгу Литвинов О.С., Горелик B.C. Электромагнитные волны и оптика. Учеб. Пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, стр. 155-156). Обратная электромагнитная волна, возвращаясь от отражателя интерферирует с прямой волной. В результате интерференции образуется стоячая волна, где амплитуда сигнала меняется в зависимости от координаты точки измерения. В частности, в пучностях стоячей волны амплитуда сигнала удваивается. Если активный элемент антенны, например полуволновый петлевой вибратор, расположить в пучности стоячей волны, то напряженность электромагнитного поля в этой точке будет в 2 раза выше амплитудного значения поля в прямой волне (см. книгу: Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003), что удваивает сигнал на выходе антенны. Верхний и нижний отражатели также вызывают явление интерференции прямой и отраженной волны, дополнительно повышая напряжение сигнала в антенне. В стоячей волне прямая и отраженная волна должны иметь одинаковые значения амплитуды. Для этого коэффициент отражения экрана должен равняться единице. Медный фольгированный стеклотекстолит, использованный для отражателя в антенне, реализующей заявляемый способ приема радиоволн, имеет коэффициент отражения 0,65. Для повышения коэффициента отражения было проведено серебрение поверхности фольгированного стеклотекстолита. Коэффициент отражения серебра равен 0,95, что увеличило сигнал на выходе антенны на 3 dB. Серебрение очень часто применяют при изготовлении СВЧ-волноводов и СВЧ-резонаторов, поскольку это позволяет уменьшить потери в волноводном тракте и повышает добротность резонаторов. В результате проведенных мероприятий происходит: увеличение амплитуды сигнала в антенне за счет размещения вибратора в пучности стоячей волны; увеличение напряжения полезного сигнала в антенне за счет концентрации напряженности электрического поля на острой кромке лезвия петлевого полуволнового вибратора; увеличение напряжения за счет резонансных явлений в вибраторе, настроенного на частоту 530 МГц; увеличение амплитуды стоячей волны за счет серебрения отражателя. Результаты эксперимента показали, что сигнал на выходе антенны с ленточным вибратором, реализующим заявляемый способ приема радиоволн, в три раза (на 10 dB) больше сигнала на выходе полуволнового проволочного вибратора, настроенного так же на частоту 530 МГц. Измерения проводились с помощью высокочастотного СВЧ-милливольтметра В3-36 и СВЧ-генератора Г4-129. Полученный результат позволяет констатировать несомненное преимущество антенны с вибратором, выполненным из обоюдоострой тонкой металлической ленты. Такая антенна обладает в три раза более высокой реальной чувствительностью.