Устройство для концентрации электромагнитного излучения от излучающего объема на принимающий объем
DEVICE FOR ELECTROMAGNETIC RADIATION CONCENTRATION FROM THE RADIATING VOLUME ONTO THE RECEIVING VOLUME

Изобретение относится к области антенной техники и может использоваться для концентрации электромагнитного излучения (ЭМИ) от одного объема, именуемого источником, на другой объем, именуемый приемником, которые расположены в соответствующих фокальных зонах внутри устройства, и может быть использовано для воздействия этим ЭМИ на объекты живой и неживой природы, и может применяться в промышленности, сельском хозяйстве и здравоохранении.
Под объемным источником и объемным приемником излучения следует понимать геометрическое тело, ограничивающее своими контурами этот объем, сумма линейных размеров которого в трех измерениях декартовой системы координат много больше длины волны использующегося ЭМИ.
Аналогом заявленного технического решения является универсальное устройство для передачи излучения от источника к приемнику, содержащее две антенны, каждая из которых выполнена в виде усеченного сегмента сферической поверхности, источник излучения, размещенный в плоскости раскрыва одной из антенн, и объект, размещенный в совмещенной фокальной зоне обоих антенн. Антенны установлены против друг друга на расстоянии, превышающем радиус сферической поверхности на величину, составляющую не менее 0,01 от радиуса сферической поверхности, а источник излучения выполнен распределенным, устройство дополнительно может быть снабжено второй парой таких антенн с фокальной зоной в виде объемного креста или третьей парой антенн с возможностью создания объемной совместной фокальной зоны в виде трехкоординатного креста, кроме того, устройство может быть дополнительно снабжено вторым источником излучения, размещенным в плоскости раскрыва второй антенны, а сами антенны могут являться элементами камеры (опубликованная международная заявка № WO/2012/005632, дата публикации: 12.01.2012 г.).
В аналоге в качестве рефлекторов используются тела вращения, такие как, сфера или ее части.
В антенной технике данный класс антенн называется зеркальными. Одна из характеристик такой антенны - диаграмма направленности (ДН) (распределение амплитуд векторов электромагнитного поля в пространстве), представляет собой тело вращения, имеющее ось симметрии, совпадающуюй с главным максимумом ДН и называемую осью зеркала [Корбанский И.Н. Антенны. - М.: Энергия, 1973. - С. 43]. Смещение ДН в пространстве при неподвижном зеркале достигается путем смещения облучателя в направлении, перпендикулярном оси зеркала. [там же, с. 231]. В тех случаях, когда необходимо изменять направление ДН в широком секторе углов, целесообразно использовать сферическое зеркало, так как параболическое и эллиптическое зеркала не позволяют существенно сдвинуть облучатель от главной оси без появления фазовых ошибок в распределении поля по раскрыву зеркала. [там же, с. 232] Применение зеркальных антенн, представляющих собой тела вращения, подразумевает использование точечного облучателя и точечного приемника электромагнитного излучения, располагаемых в геометрических фокусах описанных антенных систем, в то время как, заявляется в приведенном описании, источник излучения представляет собой излучающий объем, например стеллаж с растениями, длина которого больше высоты и много больше ширины стеллажа, что равносильно смещению «облучателей» зеркала от главной оси антенны как по длине, так и по ширине апертуры антенны. Смещение «облучателей» вдоль главной оси (по глубине стеллажа) ведет к расфокусировке, смещение, перпендикулярное к главной оси, - к изменению формы ДН. Приемник излучения так же представляет собой линейный объект (высота объекта много больше ширины и глубины), например лежащий на кровати человек. Иными словами, источник и приемник - это линейные объемы, в этом случае ширина ДН в одной из главных плоскостей антенны должна отличаться от ширины ДН в другой главной плоскости [там же, с. 234.] ДН, в этом случае, называется диаграммой направленности «веерного» типа.
В заявленном техническом решении применяется использование антенных зеркал в виде металлических цилиндров, в которых фокусная точка превращается в фокусную линию, соответственно в области одной фокусной линии будет размещаться - линейный объемный - излучатель а в области другой фокусной линии - линейный объемный - приемник. Общим уравнением цилиндрической поверхности S в декартовой прямоугольной системе координат X,Y, Z выступает выражение
ƒ(x,y)=0
с направляющей, параллельной оси OZ.
Кривая, задаваемая уравнением
ƒ(x,y)=0
в плоскости Z=0, выступает в качестве образующей цилиндрической поверхности (см. Фиг. 1).
Так, например, образующими кривыми могут служить:
- Окружность.
- Эллипс.
- Парабола.
- Цепная линия [Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. - М.: Астрель, 2002. - С. 949].
- Овал Кассини [там же, с. 884].
- Овоид или коробовая кривая [Короев Ю.И. Инженерно-строительное черчение. - М.: Высшая школа, 1976. - С. 22].
- Сечения поверхностей вращения «Яйцо» третьего и четвертого порядка [Кривошапко С.Н., Иванов В.Н. Энциклопедия аналитических поверхностей. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2015. - С. 122-123].
Сечение цилиндра в плоскости X0Y представляет собой вышеперечисленные кривые, сечение цилиндра в плоскости X0Z - две параллельные прямые. Длина (по оси Z) излучающего объема и длина (по оси Z) принимающего объема примерно равна высоте цилиндра h (см. Фиг. 1)
Из указанных образующих кривых можно получить тела вращения путем их поворота на 180° вокруг одной из выбранных координатных осей в прямоугольной системе координат, например сферу, эллипсоид и параболоид вращения, овоид и т.п.
Открытые торцы цилиндрических поверхностей в описываемом устройстве предлагается закрывать с обеих сторон соответствующими половинками тел вращения (см. фиг. 2). Так цилиндр с образующей кривой – окружностью, закрыть с обеих сторон половинками сферы (сфера образована той же самой кривой, окружностью, вращением вокруг оси ОХ) причем выпуклая часть сферы должна быть направлена наружу от торца цилиндра (см. Фиг. 2).
На Фиг. 3 приведен пример цилиндра, полученного путем протягивания образующей кривой - окружности вдоль оси Z. Поворот этой же кривой вокруг оси X или Y ведет к построению сферы. Рассечение этой сферы в плоскости диаметра на две полусферы с последующим присоединением к открытым частям цилиндра приводит к получению окончательного вида оболочки устройства (см. Фиг. 3). На Фиг. 7-9 показан общий вид, схема наполнения и трассировка лучей внутри устройства, образованного путем вышеописанной процедуры с использованием коробовой кривой - овоида (см.[4]).
В электродинамике вводится понятие ближней и дальней зоны излучения. Для расчетов характеристик электромагнитного поля считается приемлемым, что на удалении 10 длин волн от точечного источника излучения сферический фронт излученного ЭМИ можно считать плоским, иначе говоря, плоский фронт от точечного источника излучения может быть только в дальней зоне. Трансформация фронта плоской волны в сферическую с помощью антенного устройства означает не что иное как фокусировку ЭМИ. В диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн, а также в оптическом диапазоне ЭМ волн, с этой задачей справляются зеркальные антенны - параболические, сферические, эллиптические, гиперболические, их части, а также различные сочетания в двухзеркальных конструкциях. В этих диапазонах источник и приемник излучения, в вышеописанных конструкциях, можно считать разнесенными в дальних зонах (например, для длины волны λ=10 см это расстояние составит 1 м). Однако расчеты ДН, проведенные с излучением от объемного источника (объемный источник - аналог антенной решетки), будут некорректными, если в них не учитываются фазовые соотношения между волновыми фронтами излучения точечных источников, равномерно заполняющих излучающий объем. Если фронты электромагнитных волн, излучаемых точечными источниками, входящими в излучающий объем, не синфазны и меняются во времени случайным образом или, как принято говорить, в оптическом диапазоне, не когерентны, то и ДН от такого источника будет нестационарной, так как фазовые характеристики ЭМИ от точечных излучателей, входящих в излучающий объем случайны. В свою очередь законы геометрической оптики справедливы при стремлении длины волны излучения к бесконечно малому пределу, с увеличением длины волны возникают явления дифракции, угол падения волны на отражающую поверхность уже не равен углу отражения, а дальняя зона излучения становиться ближней при постоянстве расстояния между излучающим и принимающем объемами. Для того чтобы понять, в какой зоне устройства концентрируется максимальная энергия, излученная объемным источником, и именно в этом месте расположить объемный приемник излучения используем метод оптической трассировки лучей. Допущения, принимаемые при решении поставленной задачи, выражаются в следующем:
1. Лучи выходят из излучающего объема случайным образом, со всего объема, источники излучения - ламбертовские.
2. Углы падения лучей на отражающую поверхность равны углам отражения.
3. При попадании лучей на приемник их дальнейшая трассировка прекращается.
4. Излучение от ламбертовских источников некогерентно.
Предлагаются следующие варианты конструкции устройства.
Устройство для концентрации электромагнитного излучения от излучающего объема на принимающий объем, которое содержит металлический корпус в виде цилиндрической поверхности с помещенными внутрь объемным источником излучения и объемным приемником излучения, причем корпус выполнен в виде металлического цилиндра, образующей кривой которого выступают различные замкнутые кривые, а внутренние стенки цилиндрической поверхности являются рефлектором и образуют закрытую цилиндрическую антенную систему, линейный объемный источник излучения и линейный объемный приемник излучения расположены внутри цилиндрической поверхности параллельно направляющей оси этой поверхности и открытые торцы цилиндров закрываются с обеих сторон полуповерхностями - телами вращения, которые образованы той же самой кривой, что и цилиндрическая поверхность (см. Фиг. 3-8) или плоскими металлическими листами, расположенными параллельно друг другу и перпендикулярно направляющей оси цилиндрической поверхности.
При этом линейный объемный источник излучения и линейный объемный приемник излучения равноудалены как от осевой линии, так и от стенок цилиндрической поверхности и расположены в зонах максимальной концентрации электромагнитной энергии - фокальных зонах, причем центры тяжести обоих объемов и осевая линия цилиндрической поверхности лежат в одной плоскости.
При этом линейный объемный источник излучения и линейный объемный приемник излучения равноудалены как от осевой линии, так и от стенок цилиндрической поверхности и расположены в зонах максимальной концентрации электромагнитной энергии - фокальных зонах, причем центры тяжести обоих объемов и осевая линия цилиндрической поверхности лежат в одной плоскости.
По второму варианту заявленного устройства для осуществления электромагнитного катализа метаболизма биологических систем заявлена конструкция устройства, которая содержит металлический корпус овоидной формы, с помещенными внутри объемным источником излучения и объемным приемником излучения. Такая форма имеет осевую симметрию и является телом вращения (см., например, [5]). Внутри корпуса относительно оси симметрии этой поверхности расположен объемный источник излучения, имеющий форму круглого цилиндра, ось которого совпадает с осью симметрии устройства, высота и диаметр имеют такое соотношение, при котором он помещается в расширенной части овоидной поверхности, при этом приемник излучения располагается вдоль оси симметрии овоидной поверхности, перпендикулярно плоскости цилиндрического источника излучения, в зауженной части овоидной поверхности, находясь при этом в зонах максимальной концентрации электромагнитной энергии - фокальных зонах, (см. Фиг. 10-11).
Также возможно инверсное расположение источника и приемника излучения, при котором источник располагается в зауженной части овоидной поверхности, а приемник - в расширенной части овоида (см. Фиг. 12-13)
На представленных чертежах приводится следующее:
на Фиг. 1 показана цилиндрическая поверхность в декартовой прямоугольной
системе координат X,Y, Z;
на Фиг. 2 изображена схема сборки устройства;
на Фиг. 3 показан общий вид устройства;
на Фиг. 4 показано расположение источника (В) и приемника (С) внутри цилиндра (А);
на Фиг. 5 изображена схема устройства в сборе;
на Фиг. 6 показана трассировка лучей внутри устройства, где (А) - источник, (В) - приемник;
на Фиг. 7 изображено устройство в сборе;
на Фиг. 8 показана схема внутреннего наполнения цилиндра (А), места расположения источника (В) и приемника (С);
на фиг. 9 отражена трассировка лучей внутри устройства, где (А) - источник, (В) - приемник;
на фиг. 10 показана схема расположения источника (А), приемника (В), внутри устройства (С), где (D) - ось симметрии конструкции;
на Фиг. 11 показан результат трассировки лучей внутри устройства от источника (А) к приемнику (В);
на Фиг. 12 показана схема инверсного расположения источника (А), приемника (В), внутри устройства (С), где (D) - ось симметрии конструкции.
На Фиг. 13 показан результат трассировки лучей в инверсной схеме внутри устройства от источника (А) к приемнику (В).
Технический результат, достигаемый от реализации заявленной группы изобретений, заключается в обеспечении, путем изменения геометрии формы отражающей поверхности, максимальной концентрации излучения от источника на приемник, которые располагаются в соответствующих фокальных зонах внутри устройства, для применения в устройствах для воздействия на объекты живой и неживой природы.
Список литературы
1. Международная заявка № WO/2012/005632, дата публикации: 12.01.2012 г.
2. Корбанский И.Н. Антенны. - М.: Энергия, 1973.
3. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. - М.: Астрель, 2002.
4. Короев Ю.И. Инженерно-строительное черчение. - М. Высшая школа, 1976.
5. Кривошапко С.Н., Иванов В.Н. Энциклопедия аналитических поверхностей. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2015.