АНТЕННА
ANTENNA

Данное изобретение относится к области радиотехники, в частности к приемо-передающим антеннам продольных электромагнитных волн (ПЭМВ) СВЧ диапазона, и может найти применение в системах связи и радиолокации, в медицине в приборах электромагнитной гипертермии и в электромагнитных аппликаторах, в задачах радиомониторинга, в задачах электромагнитной совместимости (ЭМС).
В настоящее время имеется значительное количество публикаций подтверждающих возможность формирования ПЭВМ, возможность использования их в различных технических задачах, а также ПЭМВ способны служить физическим (материальным) носителем перцептивной информации в том числе - биоинформации [1, 2, 3].
В доказательство того, что скалярно-продольные волны можно сформировать и осуществить на них пространственную связь, были проведены такие экспериментальные исследования [4]. Эксперимент подтвердил возможность формирования скалярно-продольных электромагнитных волн и возможность осуществления пространственной связи.
п
п
в
//
⊥
//
⊥
//
Известен способ формирования ПЭВМ и антенны для осуществления излучения этих волн [5], заключающийся в том, что способ формирования ПЭМВ реализуется на антенне, содержащей отрезок коаксиальной линии передачи с поперечной электрической электромагнитной волной типа - ТЕМ, на внешний проводник которого, со стороны апертуры, вершиной установлен металлический конусообразный осесимметричный рефлектор, при этом центральный проводник отрезка коаксиальной линии передачи длиной L, размещенный внутри конусообразного рефлектора со стороны его вершины, является возбудителем, осуществляющим формирование поперечной электромагнитной волны (ЭМВ) электрической типа ТЕМ внутри конусообразного рефлектора. Первичный поверхностный ток проводимости I, протекающий по проводнику возбудителя, возбуждает электрический вектор поля Е поперечной электромагнитной волны, который на внутренней поверхности конусообразного рефлектора возбуждает вторичный ток проводимости I параллельный продольной оси раскрыва конусообразного осесимметричного рефлектора, который в свою очередь возбуждает два вектора электрического поля Е и Е, где первый вектор электрического поля параллелен продольной оси конусообразного рефлектора, а второй - ортогонален ей. При этом векторы составляющие электрические поля Е ориентированы одинаково, а векторы составляющие электрические поля Е - встречно [6]. В силу суммарного взаимодействия всех составляющих вектора электрического поля Е на апертуре конусообразного рефлектора, ориентированного параллельного продольной оси с направлением движения энергии в том же направлении - соответствует излучению ПЭМВ.
Таким образом, формирование и излучение ПЭМВ реализуется в результате трансформации энергии поперечной электромагнитной волны (ЭМВ) (электрической волны типа - ТЕМ) в энергию вторичной ПЭМВ, которая излучается в направлении раскрыва конусообразного осесимметричного рефлектора.
в
Недостатком данного технического решения являются жесткие требования к точности выполнения внутренней поверхности конусообразного осесимметричного рефлектора. Наличие дефектов приводит к искажению вторичного тока проводимости I на внутренней поверхности конусообразного осесимметричного рефлектора, а именно к нарушению параллельности его продольной оси, что приводит к возбуждению волн высшего порядка и потерям при трансформации энергии поперечной ЭМВ (волны типа ТЕМ) в энергию вторичной ПЭМВ.
Известны способы «дальнодействующего» формирования ПЭМВ Е-типа в локальной дальней (волновой) области пространства с помощью пространственного суммирования двух разнесенных в свободном пространстве когерентных излучателей (антенн) поперечных ЭМВ с одинаковой линейной поляризацией.
Например известен способ формирования ПЭМВ с помощью излучения двух скрещенных волноводов, в результате в дальней (волновой) зоне достигается компенсация поперечной магнитной компоненты ЭМВ и создание одной электрической компоненты вдоль направления распространения ЭМВ, т.е. продольной электрической электромагнитной волны (Е-волны).
Например известен способ формирования ПЭМВ с помощью излучения двух зеркальных антенн. Благодаря возможности создания достаточно узких диаграмм направленности главного лепестка и с низким уровнем боковых лепестков и устанавливая разнесенную базу между антеннами можно формировать дальнюю зону образования ПЭМВ и с маленьким пятном [7, 8, 9].
Известен способ формирования ПЭМВ с помощью поперечной ЭМВ с круговой поляризацией [10].
Известна приемно-передающая антенна скалярно-продольных электромагнитных волн [11]. Антенна содержит токопроводящий цилиндр, на который установлены соосно две, разнесенные на некоторое расстояние друг от друга, плоские катушки со спиральной намоткой и реактивный элемент, при этом одними концами первая и вторая катушки индуктивности соединены между собой, причем первая и вторая плоские катушки индуктивности намотана встречно. Причем первая и вторая катушки индуктивности установлены в медный экран цилиндрической формы, обеспечивающий полную экранировку, что позволяет экранировать антенны от поперечных электромагнитных волн, а для скалярно-продольных ЭМВ - экран абсолютно прозрачен.
При такой намотке направление магнитного поля первой катушки находится в противоположном направлении по отношению к магнитному полю второй катушки индуктивности, при этом токопроводящий цилиндрический проводник расположен так, чтобы пересекать магнитное поле первой катушки и магнитное поле второй катушки. Эффективность антенны определяется возможностью протекание максимального тока в первой и второй катушках индуктивности обеспечивается уменьшением индуктивного сопротивления катушек с помощью включения реактивного элемента - конденсатора.
Параллельный резонансный контур формируется посредством параллельного включения конденсатора между входными/выходными проводниками катушек индуктивности. Последовательный резонансный контур формируется посредством последовательного включения в разрыв между соединительными проводниками первой с второй катушками индуктивности.
Первая и вторая катушки индуктивности, при прочих равных условиях, могут быть выполнены объемными, за исключением того, что токопроводящий цилиндрический проводник не используется [12].
Известна антенн излучения и приема скалярно-продольных электромагнитных волн [13]. В данном техническом решении рассмотрены два устройства (антенны) способные обеспечить излучение и/или прием скалярно-продольных электромагнитных волн линейной монопольной антенной и/или плоской плотно намотанной бифилярной спиральной катушкой.
Монопольная антенна представляет собой несимметричный вибратор, выполненный на основе отрезка коаксиальной линии передачи. Излучателем является центральный проводник коаксиального кабеля с четвертьволновым короткозамыкающим коаксиальным шлейфом, обеспечивающим симметрирование поверхностного тока.
Плоская катушка с плотной бифилярной спиральной намоткой, сформированная чередующимся первым и вторым проводниками, так что электрический ток в соседних витках катушки будет распространяться в противоположных направлениях, тем самым подавляя любое магнитное поле, так что во время работы катушка излучает или принимает скалярно-продольные электромагнитные волны.
Монопольная антенна в виде несимметричного вибратора и плоская катушка с плотной бифилярной спиральной намоткой излучения и/или приема скалярно-продольных электромагнитных волн выполняются полностью экранированными медным экраном, что позволяет экранировать антенны от влияния поперечных электромагнитных волн, в то время для скалярно-продольных электромагнитных волн - экран прозрачен.
В материалах описания патента:
- показана согласованность электродинамической модели скалярно-продольных электромагнитных волн с классической электродинамикой;
- представлены экспериментальные данные по затуханию скалярно-продольных электромагнитных волн в различных условиях;
- представлены экспериментальные данные, демонстрирующие, что скалярно-продольные электромагнитные волны существуют и могут передаваться и приниматься антенными устройствами скалярно-продольных электромагнитных волн;
- представлены экспериментальные данные, показывающие, что скалярно-продольные электромагнитные волны не подвержены классическому скинэф-фекту, как теоритически определено электродинамической моделью;
- представлена технологии применения скалярно-продольных электромагнитных волн;
- представлены схематически конструкции антенн в виде монопольного несимметричного вибратора и плоской двухзаходной катушки.
Известно устройство для излучения скалярно-продольных электромагнитных волн [14], содержащее два отрезка идентичных прямоугольных волновода установленных вплотную друг к другу узкими стенками, электрическая длина одного волновода относительно другого волновода отличается на половину центральной длины волны в волноводе. Волноводные возбуждающие элементы установлены на одних концах волноводов, другие открытые концы волноводов торцами расположены в одной плоскости и через обратный рупор соединены с одним концом отрезка суммирующего волновода прямоугольного поперечного сечения, аналогичного поперечному сечению прямоугольных волноводов, другой конец суммирующего волновода соединен с прямоугольным Н - плоскостным секториальным рупором, аналогичным обратному рупору, являющийся излучателем (излучающей антенной).
Недостатком данного технического решения является: - возможность формировать только режим излучения безвихревых скалярно-продольных электромагнитных волн, при этом режим приема безвихревых скалярно-продольных электромагнитных волн невозможен.
Известен способ формирования ПЭВМ и антенны для осуществления излучения и приема этих волн [15], который заключается в возбуждении ПЭМВ в вакууме в результате процесса преобразования электрической энергии в энергию излучения ПЭМВ.
Способ возбуждения ПЭМВ в вакууме включает процесс преобразования электрической энергии в излучение электромагнитной продольной волны. Возбуждение ПЭМВ производится путем продольной концентрации силовых линий электрического или магнитного полей ближней зоны антенны в направлении волнового вектора и образования фронта продольной волны в пространстве в форме неоднородности поля в переходной области между ближней (кулоновской) и дальней (волновой) зоной излучения, по аналогии с поперечным ЭМП [16], благодаря запаздыванию электрического или магнитного полей в дальней зоне относительно колебаний электрона вдоль острия излучающего элемента антенны. Сильная концентрация силовых линий на острие излучающего элемента создает очень высокую напряженность продольного поля, и, как следствие этого, большую неоднородность поля вблизи оси антенны. Излучающий элемент антенны выполнен заостренным и обеспечивает концентрацию силовых линий электрического или магнитного полей ближней зоны вблизи элемента в форме острия, благодаря чему излучающее и излучаемое ПЭМП имеют одинаковую природу и симметрию.
Природа и симметрия генерирующего поля в ближней зоне и излученного поля в дальней зоне одна и та же, что обуславливает высокую эффективность преобразования электромагнитной энергии, питающей антенну, в излучение, то есть высокий КПД антенны.
Антенна выполнена из двух металлических конусов с одинаковым диаметром основания и высотой h1 и h2, причем (h1>h2). Конусы соосно гальванически соединены основаниями, причем к вершине конуса высоты h2 подключен центральный проводник коаксиального кабеля, а внешний проводник коаксиального кабеля выполнен в виде запирающего стакана, при этом вершина конуса h1 является излучающим элементом антенны.
Наиболее близким техническим решением - прототипом является устройство для излучения скалярно-продольных электромагнитных волн [17] содержащее соединение трех отрезков коаксиальных кабелей, при этом первый отрезок коаксиального кабеля одним концом подключен к генератору поперечно-векторных ЭМВ, а другим концом первый отрезок коаксиального кабеля подключен к входному каналу первого коаксиального трехдецибельного тройника с неразвязанными выходными каналами выполняющего функцию делителя, причем второй и третий разнодлинные отрезки коаксиальных кабелей, различающиеся по длине третьего от второго на половину центральной длины волны рабочего диапазона, одними концами подключены к неразвязанным выходным каналам первого коаксиального трехдецибельного тройника, при этом другие концы второго и третьего отрезков коаксиальных кабелей подключены к двум входным неразвязанным каналам второго коаксиального трехдецибельного тройника с неразвязанными входными каналами, выполняющего функцию сумматора, причем к выходному каналу второго коаксиального тройника подключен одним концом четвертый отрезок коаксиального кабеля, второй конец которого подключен к диэлектрической стержневой антенне конической формы.
В излучающем устройстве о втором коаксиальном трехдецибельном тройнике второй и третий отрезки коаксиальных кабелей соответственно двух вихревых поперечно-векторных электромагнитных полей волны типа ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей сводятся в общую ЭМВ, характеризуемую электрическим и магнитным нуль-векторами.
Образование нуль-векторной ситуации в условиях сохранения действенности электрического и магнитного полей является теоретическим признаком практической реализации симметрийно-физического перехода в ходе образования общей ЭМВ.
Геометрическое суммирование равных противонаправленных электрических и магнитных векторов напряженности дает в итоге интерференционные нуль-векторы. Подчиняясь фундаментальному принципу суперпозиции полей, общая ЭМВ в нуль-векторной ситуации утрачивает традиционные поляризационную (поперечно-векторную) и структурную (вихревую) характеристики.
В рамках идеи о симметрийно-физическом переходе иррациональная нуль-векторная ситуация в суммарном поле переходит в реальную продольно-скалярную. По определению градиент продольно ориентированного неоднородного скалярного поля есть продольно ориентированный вектор.
В плосковолновом приближении векторы напряженности электрического и магнитного полей в скалярно-продольной ЭМВ ориентированы в открытом пространстве коллинеарно вектору потока плотности электромагнитной энергии.
Недостатком данного технического решения является: - возможность формировать только режим излучения безвихревых продольно-скалярных электромагнитных волн, при этом режим приема безвихревых продольно-скалярных электромагнитных волн в данном техническом решении невозможен; - все три канала коаксиальных трехдецибельных тройников между собой не развязаны, т.е. имеет место взаимная связь между собой, в результате происходит не равноамплитудное деление и с фазовыми искажениями электромагнитных волн, что в дальнейших по фидерному тракту приводит к не полному преобразованию вихревых поперечно-векторных ЭМВ в безвихревые продольно-скалярные ЭМВ, а это приводит к смешанному волновому режиму в антенно-фидерном тракте; - не возможность формирования первым коаксиальным трехдецибельным тройником равноамплитудного и синфазного деления входного сигнала; - излучатель не экранирован, поэтому имеет место смешанный режим излучения и приема, т.е. излучение и прием безвихревых продольно-скалярных ЭМВ и вихревых поперечно-векторных ЭМВ; - отсутствие элементов согласования фидерного тракта по параметру КСВ; - отсутствуют элементы регулирования уровня преобразования вихревых поперечно-векторных ЭМВ в безвихревые скалярно-продольные ЭМВ.
Технической задачей данного изобретения является: - создание антенны осуществляющей излучение и прием безвихревой скалярно-продольной ЭМВ, которая в режиме излучения осуществляет преобразование входного вихревого поперечно-векторного ЭМП в излучаемую антенной безвихревую скалярно-продольную ЭМВ, а в режиме приема принятую безвихревую скалярно-продольную ЭМВ преобразует в вихревое поперечно-векторное ЭМП, что позволяет использовать штатный антенно-фидерный тракт и соответственно штатное приемное радиотехническое оборудование; - исключение возможности излучения и приема смешанных ЭМВ, а именно безвихревой скалярно-продольной ЭМВ и вихревой поперечно-векторной ЭМВ, осуществляется излучение и прием только безвихревой скалярно-продольной ЭМВ, что осуществляется путем полной экранировки антенны и всех функционально - структурных элементов антенно-фидерного тракта включая элементы согласования антенно-фидерного тракта и элементы регулирования структуры ЭМП в функциональных блоках антенно-фидерного тракта; - выполнение всех элементов антенно-фидерного тракта на основе симметричной экранированной печатной полосковой линии, что обеспечивает однородную структуру поля для волны типа ТЕМ и исключает возможность формирования паразитных электромагнитных связей между полосковыми элементами антенно-фидерного тракта и исключает внутри-объемные паразитные резонансы; - технологичность конструкции за счет возможности выполнения всего антенно-фидерного тракта на одной плате в едином технологическом цикле.
Поставленная цель достигается тем, что в приемно передающей антенне, содержащей блок деления входного вихревого поперечно-векторного электромагнитного поля волны типа ТЕМ на две равные части с равными и одинаково направленными синфазными векторами напряженности электрического и магнитного полей, выполнен в виде трехдецибельного делителя с развязанными выходными каналами выполнен на основе симметричной экранированной печатной полосковой линии, при этом один и другой выходные каналы блока деления соединены с опорным и противофазным каналами фидерного тракта волны типа ТЕМ соответственно, причем опорный канал фидерного тракта выполнен на основе двух одинаковых, включенных последовательно, полосковых направленных ответвителя с четвертьволновой боковой электромагнитной областью связью, причем на одном конце полосковые проводники направленного ответвителя вне области связи соединены между собой полосковой перемычкой, формирующих в сумме фазовый сдвиг 360°, а противофазный канал фидерного тракта выполнен на отрезке полоской линии длиной три четверти центральной длины волны каждый формирует суммарный фазовый сдвиг 540°, при этом полосковая линия опорного и противофазного каналов выполнена на основе печатной симметричной экранированной линии, причем вторые концы опорного и противофазного каналов фидерного тракта подключены к входным каналам двухканального по входу и одноканальному по выходу блока интерферационного полеволнового симметризирующего наложения двух вихревых поперечно-векторных электромагнитных полей волны типа ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей, который выполнен на основе симметричной экранированной печатной полосковой области в форме сектора круга, к дугообразной части которого подключены входные опорный и противофазный каналы, при этом выходной канал, расположен на центральном радиусе сектора круга в вершине сектора круга и симметричен относительно центрального радиуса, к которому подключен входной канал блока полеволнового нуль-векторного суммирования, который выполнен на основе симметричной экранированной печатной полосковой области прямоугольной формы, при этом выходной канал блока полеволнового нуль-векторного суммирования, с безвихревой на выходе неполяризованной скалярно-продольной электромагнитной волной, подключен к полосково-коаксиальному соединителю, коаксиальная часть которого выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, к концу центрального проводника которой подключена монопольная антенна, представляющая собой несимметричный электрический вибратор, причем на земляном проводнике отрезка коаксиальной линии передачи установлен симметрирующий четвертьволновый короткозамыкающий коаксиальный шлейф выполненный в форме стакана, при этом на монопольную антенну установлен металлический экран цилиндрической формы, который закорочен на одном конце, и выполнен из немагнитного материала, при этом второй конец цилиндрического экрана механически закреплен и гальванически соединен с земляным проводником коаксиальной части коаксиального соединителя.
В полосковой области сектора круга блока интерферационного полеволнового симметризирующего наложения приемо-передающей антенны со стороны дугообразной части между входными опорным и противофазным каналами может быть выполнен вырез конусообразной формы, основание которого расположено на дугообразной части сектора круга, причем продольная ось выреза в форме конуса расположена на центральном радиусе сектора круга.
В основание зазора конусообразной формы блока интерферационного полеволнового симметризирующего наложения между боковыми кромками может быть установлен резистор.
Выполнение зазора конусообразной формы со стороны дугообразной части между входными опорным и противофазным каналами позволяет увеличить развязку между ними, а включение резистора позволяет предотвращать возможные поперечные резонансы, которые являются паразитными.
Согласование трехдецибельного делителя с опорным и противофазовым каналами фидерного тракта в приемно-передающей антенне в каждый канал фидерного тракта включены блоки импедансного согласования вихревых поперечно-векторных электромагнитных волн типа ТЕМ, выполненные на основе симметричных экранированных полосковых линиях.
В разрыв соединения опорного и противофазного каналов фидерного тракта с двухканальным блоком интерферационного полеволнового симметризирующего наложения в каждый канал включен блок амплитудно-фазовой коррекции противофазных неполяризованных вихревых поперечно-векторных противонаправленных электрических и магнитных векторов напряженности поля волны типа ТЕМ, который выполнен на симметричных экранированных полосковых линиях.
Печатная полосковая область блока полеволнового нуль-векторного суммирования может быть выполнена с установкой перестраиваемых реактивных элементов, регулирующих амплитудно-фазовый режим полеволнового нуль-векторного суммирования.
Перестраиваемые реактивные элементы обеспечивают более полное полеволновое нуль-векторное суммирование противофазных неполяризованных вихревых поперечно-векторных противонаправленных электрических и магнитных векторов напряженности поля волны типа ТЕМ в безвихревую неполяризованную скалярно-продольную ЭМВ с минимальным уровнем составляющих вихревых поперечно-векторных ЭМВ, в данном случае являющихся паразитными.
Устранение нескомпенсировавшихся вихревых поперечно-векторных ЭМП волны типа ТЕМ в блоке полеволнового нуль-векторного суммирования, осуществляется включением между полосково-коаксиальным соединителем и коаксиальным соединителем монопольной антенны блока компенсации апертурных неполяризованных вихревых поперечно-векторных электромагнитных волн типа ТЕМ, который может быть выполнен на отрезке коаксиального фидерного тракта с установленной внутри секцией из радиопоглощающего материала или на отрезке симметричной экранированной полосковой линии с установленной внутри секции из радиопоглощающего материала.
Приемно-передающая антенна может быть выполнена с установкой на центральный проводник монопольной антенны диэлектрической муфту, а в симметрирующий четвертьволновый короткозамыкающий коаксиальный шлейф с установкой диэлектрического кольца.
В антенно-фидерном тракте опорного и противофазном каналах, в связи с не идеальным согласованием, образуются стоячие ЭМВ, то взаимная компенсация вихревых неполяризованных поперечно-векторных ЭМВ в суммирующем блоке полеволнового нуль-векторного сумматора как в режиме излучения так и режиме приема будет не полной. Поэтому практически в блоке полеволнового нуль-векторного сумматора наряду с безвихревыми продольно-скалярными ЭМВ имеется некоторое количество (порядка 15%…35%) вихревых неполяризованных поперечно-векторных ЭМВ.
Поэтому при частичной нуль-векторной полеволновой ситуации общая электромагнитная энергия переносится вихревыми поперечно-векторными и безвихревыми продольно-скалярными ЭМВ. Если комбинированная ЭМВ входит в резонансный контур, то образовавшийся в замкнутом контуре замкнутый ток инициирует рассимметризацию продольной составляющей. Силовые линии вслед за током замыкаются, что приводит к перерождению продольных волн в поперечные ЭМВ [18].
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 - схематически представлена структурная схема приемно-передающей экранированной монопольной антенны, в которой в режиме излучения входной сигнал в виде вихревой поперечно-векторной ЭМВ типа ТЕМ, в фидерном тракте преобразуется в излучаемую экранированной монопольной антенной безвихревую продольно-скалярную электромагаитную волну, при этом за счет взаимности всех устройств фидерного тракта в режиме приема экранированной монопольной антенной безвихревая продольно-скалярная электромагнитная волна в фидерном тракте преобразуется в вихревую поперечно-векторную ЭМВ типа ТЕМ, с функциональными элементами фидерного тракта выполненные на полосковых линиях: - трехдецибельный делитель, направленный ответвитель опорного канала, отрезок линии противофазного канала, блок интерферационного полеволнового симметрирующего наложения, блок полеволновонго нуль-векторного суммирования;
на фиг. 2 - схематически представлена структурная схема приемно-передающей экранированной монопольной антенны (фиг. 1) с вырезом в области сектора круга конусообразной формы блока интерферационного полеволнового симметризирующего наложения с перестраиваемыми реактивными элементами, с включенными в опорном и противофазном каналах фидерного тракта трехдецибельного делителя перестраиваемых блоков импедансного согласования, с включением в опорном и противофазном каналах фидерного тракта блоков интерферационного полеволнового симметрирующего наложения блоков синхронизации, с блоком полеволнового нуль-векторного суммирования выполнен с установкой перестраиваемых реактивных элементов, с блоком компенсации апертурных поперечно-векторных ЭМВ типа ТЕМ.
Принцип безвихревых продольно-скалярных электромагнитных волн базируется на основе теории «Безвихревой электродинамики».
Формирование безвихревых продольно-скалярных электромагнитных волн путем противофазного наложения двух когерентных противополяризованных вихревых поперечно-векторных их электромагнитных полей, обеспечивая по всему периоду колебательного процесса интерференционные электрические и магнитные нуль-векторы.
Распространение идеи симметрично-физических переходов на полеволновой процесс позволяет предположить образование электромагнитных свойств у более симметричной ЭМВ. Как следует из анализа центрально-симметричной магнитостатики стационарные магнитные поля способны к симметризирующему наложению, сопровождаемому переходом от циркуляционного свойства к потенциальному в общем магнитном поле [19, 20].
Результат симметризирующего наложения полей волнового процесса - две одинаковые поперечные противополяризованные противофазные электромагнитные волны накладуваются противофазно так, что векторы электрического и магнитного полей образуют в итоге геометрические нуль-векторы по всему периоду общего полеволнового процесса.
При противофазном наложении двух одинаковых ЭМВ, образующие в теоретическом описании геометрические нуль-векторы, свидетельствуют не о взаимной компенсации накладывающихся ЭМП, что нарушило бы принцип сохранения энергии, а лишь их исходные свойства. Таким образом теоретические нуль-векторы свидетельствуют об отсутствии у поля общей ЭМВ исходных поляризационных (поперечных) и структурных (вихревых) свойств [21].
Согласно электродинамической модели, в свободном пространстве и в плоско-волновом приближении векторы напряженности электрического и магнитного полей продольной ЭМВ взаимно коллинеарны и ортогональны плоскости фронта ЭМВ
Лучеподобный вектор S однозначно задает продольную ориентацию связанным с ним электрическому и магнитному векторам. Скалярные составляющие есть следствие заимствования модулей векторов от соответствующих геометрических нуль-векторов [22].
Принцип работы приемно-передающей антенны.
Антенно-фидерный тракт приемно-передающей антенны и сама антенна представляют из себя взаимные функциональные СВЧ узлы. Все функциональные элементы фидерного тракта выполняются на основе симметричных экранированных полосковых печатных полосковых линий.
Приемно-передающая экранированная монопольная антенна 1 (фиг. 1) принимает и излучает безвихревые продольно-скалярные ЭМВ, при этом в обоих режимах на входном/выходном коаксиальном соединителе трехдецибельного сумматора (прием)/делителя (передача) мощности всегда присутствует вихревая неполяризованная поперечно-векторная ЭМВ типа ТЕМ.
При этом в режиме излучения входной сигнал в виде вихревых поперечно-векторных ЭМВ преобразуется в излучаемые антенной безвихревые продольно-скалярные ЭМВ, а в режиме приема входной сигнал принимаемый антенной в виде безвихревых продольно-скалярных ЭМВ преобразуется на выходе антенны в вихревые неполяризованные поперечно-векторные ЭМВ.
Принцип работы антенны в режиме излучения.
В режиме излучения входной СВЧ сигнал, представляющий собой вихревую поперечно-векторную электрическую неполяризованную ЭМВ типа ТЕМ, через коаксиальный соединитель (коаксиально-полосковый переход) подключен к входному каналу 2 двухканального трехдецибельного делителя мощности 3 с развязывающим резистором 4 и развязанными первым 5 и вторым 6 выходными каналами, при этом трехдецибельный делитель мощности 3 выполнен на симметричной экранированной полосковой линии печатной или для повышенного уровня входной мощности выполняется с воздушным заполнением, при этом на выходных каналах 5 и 6 формируются когерентные равноамплитудные синфазные вихревые поперечно-векторные электрические неполяризованные ЭМВ типа ТЕМ.
Первый 5 и второй 6 выходные каналы трехдецибельного делителя мощности 3 соединены с одними концами опорного 7 и противофазного 8 каналами фидерного тракта волны типа ТЕМ.
Опорный входной канал 7 фидерного тракта выполнен из двух идентичных последовательно соединенных полосковых направленных ответвителей 9 и 10 с четвертьволновой боковой электромагнитной областью связью, причем на одном конце полосковые проводники каждого направленного ответвителя 9 и 10 вне области связи соединены между собой полосковой перемычкой 11, в результате получаем электрическую длину двух направленных ответвителей опорного канала равной 360°, а полная электрическая длина на выходе другого конца опорного канала 12 равна 360°+Δ, где Δ - электрическая длина соединительных полосковых проводников топологии между одним началом 7 и другим концом 12 фидерного тракта опорного канала. При этом направленные ответвители 9 и 10 и полосковые проводники топологии выполнены на основе симметричной экранированной печатной полосковой линии.
Противофазный входной канал 8 фидерного тракта выполнен на двух отрезках 13 и 14 полосковых линий геометрической длины равной 3/4 длины волны (что соответствует электрической длине равной 270°), при этом полная электрическая длина противофазного канала равна (270°+270°+Δ=540°+Δ) между одним началом 8 и другим концом 15 фидерного тракта противофазного канала. При этом полосковые линии противофазного канала выполнена на основе симметричной экранированной печатной полосковой линии.
В результате на других выходных концах опорного 12 и противофазного 15 каналах фидерного тракта имеет место два вихревых поперечно-векторных электромагнитных поля волны типа ТЕМ с противофазными 180° и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей соответственно.
Выходные опорный 12 и противофазный 15 каналы подключены к входным каналам 16 и 17 двухканального по входу и одноканальному по выходу 18 блока 19 интерферационного полеволнового симметризирующего наложения, который выполнен на основе симметричной экранированной печатной полосковой области в форме сектора 20 круга, на дугообразной части которого расположены входные опорный 16 и противофазный 17 каналы, при этом выходной канал 18, расположен на центральном радиусе сектора 20 в вершине сектора круга и симметричен относительно центрального радиуса.
В блоке 19 интерференционного полеволнового симметризирующего наложения происходит векторное наложение двух вихревых поперечно-векторных электромагнитных полей волны типа ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей.
В результате противофазного наложения двух вихревых поперечно-векторных электромагнитных полей волны типа ТЕМ в блоке 19 на выходном канале 18 образуется сложное электрическое и магнитное поле.
К выходному каналу 18 подключен входной канал 21 блока 22 полеволнового нуль-векторного суммирования, в котором сложное электрическое и магнитное поле, в итоге интерференционного полеволнового нуль-векторного суммирования переходит в реальную скалярно-продольную структурно-безвихревую электромагнитную волну.
Блок 22 полеволнового нуль-векторного суммирования выполнен на основе симметричной экранированной печатной полосковой области 23 прямоугольной формы.
Выходной канал 24 блока 22 полеволнового нуль-векторного суммирования подключен к полосково-коаксиальному соединителю 25, коаксиальная часть которого выполнена в виде отрезка коаксиальной линии 26, к концу центрального проводника 27 которой подключена монопольная антенна 28, представляющая собой несимметричный электрический вибратор, причем на земляном проводнике 29 отрезка коаксиальной линии передачи 26 установлен симметрирующий четвертьволновый короткозамыкающий коаксиальный шлейф 30, выполненный в форме стакана, при этом на монопольную антенну 28 установлен металлический экран 31 цилиндрической формы, который закорочен на одном конце, и выполнен из немагнитного материала, при этом торцевой второй конец 32 цилиндрического экрана 31 механически закреплен и гальванически соединен с земляным проводником 26 коаксиальной части коаксиально-полоскового соединителя 25.
Связка полоскового трехдецибельного направленного ответвителя в опорном канале с фидерным трактом на полоской линии длиной три четверти длины волны в противофазном канале - образуют фиксированный 90° фазовращатель. Последовательное включение двух связок формирует по антенно-фидерному тракту фиксированный 180° фазовый сдвиг, при этом электрическая длина вспомогательных отрезков полосковых линий фидерного тракта А опорного и противофазного каналов одинакова [23, 24].
В полосковой области сектора 20 круга блока 19 интерферационного полеволнового симметризирующего наложения приемо-передающей антенны (фиг. 2) со стороны дугообразной части 33 между входными опорным 16 и противофазным 17 каналами может быть выполнен вырез 34 конусообразной формы, основание которого расположено на дугообразной части 33 сектора 20 круга, причем продольная ось выреза 34, конусообразной формы, расположена на центральном радиусе сектора 20 круга.
В основание выреза 34 зазора конусообразной формы между боковыми кромками может быть установлен резистор 35. В целях не нарушения симметрии полосковой линии лучше использовать пленочный резистор.
Выполнение выреза 34 конусообразной формы со стороны дугообразной части 33 между входными опорным 16 и противофазным 17 каналами позволяет увеличить развязку между ними, а включение резистора 35 позволяет предотвращать возможные поперечные резонансы, которые являются паразитными, и исключить возбуждение высших типов волн.
Согласование выходных каналов 5 и 6 трехдецибельного делителя мощности 3 с опорным 7 и противофазовым 8 каналами фидерного тракта осуществляется включением блока импедансного согласования 36 и 37 фидерного тракта опорной 7 противофазной 8 фидерных линий вихревых поперечно-векторных электромагнитных волн типа ТЕМ, при этом блоки импедансного согласования 36 и 37 выполнены на основе симметричных экранированных полосковых линий [25, 26].
Приемно-передающая антенна может быть выполнена с включением в разрыв соединения выходного опорного 12 канала фидерного тракта и с включением в разрыв соединения выходного противофазного 15 канала фидерного тракта с входным опорным каналом 16 и входным противофазным каналом 17 блока 19 интерферационного полеволнового симметризирующего наложения включением блоков 38 и 39 амплитудно-фазовой коррекции противофазных неполяризованных вихревых поперечно-векторных противонаправленных электрических и магнитных векторов напряженности поля волны типа ТЕМ. Блоки 38 и 39 амплитудно-фазовой коррекции опорного и противофазного каналов выходными каналами 40 и 41 подключены к входным каналам 16 и 17 блока 19. При этом блоки 38 и 39 выполнены на симметричных экранированных полосковых линиях.
Блоки 38 и 39 амплитудно-фазовой коррекции осуществляют корректировки по амплитуде (равноамплитудно) и фазе (противофазного) вихревых поперечно-векторных электромагнитных полей волны типа ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей, компенсируют возникающие в фидерном тракте за счет не идеального согласования неоднородностей реактивного характера с корректировкой активной составляющей волнового сопротивления. Это позволяет повысить эффективность интерферационного полеволнового симметризирующего наложения выполняемое блоком 19.
В области печатного сектора 20 круга блока 19 интерферационного полеволнового симметризирующего наложения (фиг. 2) установлены перестраиваемые симметризаторы 42 по входным опорному 16 и противофазному 17 каналам и выходному каналу 18 симметризаторы 43.
Печатная полосковая область 23 блока 22 полеволнового нуль-векторного суммирования выполнена с установкой перестраиваемых реактивных элементов 44, регулирующих амплитудно-фазовый режим полеволнового нуль-векторного суммирования. Перестраиваемые реактивные элементы 44 обеспечивают более полное полеволновое нуль-векторное суммирование противофазных неполяризованных вихревых поперечно-векторных противонаправленных электрических и магнитных векторов напряженности поля волны типа ТЕМ в безвихревую неполяризованную скалярно-продольную ЭМВ с минимальным уровнем составляющих вихревых поперечно-векторных ЭМВ, которые в данном случае являющихся паразитными.
Устранение нескомпенсировавшихся вихревых поперечно-векторных ЭМП волны типа ТЕМ в блоке 22 полеволнового нуль-векторного суммирования, осуществляется включением между коаксиалом полосково-коаксиальным соединителем и коаксиальным соединителем монопольной антенны блока 45 компенсации апертурных неполяризованных вихревых поперечно-векторных электромагнитных волн типа ТЕМ, который может быть выполнен в виде коаксиальной вставки, на отрезке коаксиального фидерного тракта с установленной внутри секцией из радиопоглощающего материала, например коаксиальный аттенюатор, или на отрезке симметричной экранированной полосковой линии с установленной внутри секции из радиопоглощающего материала.
Приемно-передающая антенна 1 может быть выполнена с установкой на центральный проводник 28 монопольной антенны 26 диэлектрической муфты 46 внутри металлического экрана 31, а в симметрирующий четвертьволновый короткозамыкающий коаксиальный шлейф 30 диэлектрического кольца 47. Установка диэлектрика позволяет обеспечить жесткость конструкции монопольного излучателя и одновременно уменьшить продольные размеры.
В антенно-фидерном тракте опорного 12 и противофазного 15 каналах, в связи с не идеальным согласованием (КСВ>1), образуются стоячие ЭМВ, в связи с чем взаимное наложение в блоке 19 интерферационного полеволнового симметрирующего наложения осуществляется не полностью, а в блоке 23 полеволнового нуль-векторного суммирования происходит неполная взаимная компенсация вихревых неполяризованных поперечно-векторных ЭМВ как в режиме излучения так и режиме приема.
Поэтому практически, в выходном канале 24 блок 22 полеволнового нуль-векторного сумматора наряду с безвихревой продольно-скалярной ЭМВ имеется некоторое количество (порядка 15%…35%) вихревых неполяризованных поперечно-векторных ЭМВ.
В связи с этим при частичной нуль-векторной полеволновой ситуации общая электромагнитная энергия переносится вихревыми поперечно-векторными и безвихревыми продольно-скалярными ЭМВ, т.е. имеет место смешанный режим.
Введение блока 45 компенсации апертурных неполяризованных вихревых поперечно-векторных электромагнитных волн типа ТЕМ позволяет значительно уменьшить их уровень и тем самым уменьшить потери в режиме излучения. В режиме приема неполяризованные вихревые поперечно-векторные электромагнитные волны типа ТЕМ экранируются металлическим экраном 31.
В случае если комбинированная ЭМВ входит в резонансный контур, то образовавшийся в замкнутом контуре замкнутый ток инициирует рассимметризацию продольной составляющей. Силовые линии вслед за током замыкаются, что приводит к перерождению продольных волн в поперечные ЭМВ [27].
Источники информации
1. «Продольные электромагнитные волны». - Библиография 1970-2020. (172 позиции). Отделение ГПНТБ СО РАН (Новосибирск) - Составитель Зарубин А.Н. [Электронный ресурс]: Режим доступа (http://prometeus.nsc.ru/partner/zarubiri/waves.ssi, 2020).
2. Монография: «Абдулкеримов С.А., Ермолаев Ю.М., Родионов Б.Н. Продольные электромагнитные волны. Теория, эксперимент, перспективы применения. М.: МГУЛ (Московский государственный университет леса), 2003, - 171 с.).
3. Книга 5. Часть 2-03: Колтовой Н.А. «Продольные волны» [Электронный ресурс]: Режим доступа (Koltovoy_prodolnye_volny.pdf-Adobe Reader, 2018.
4. Monstein С., Wesley J.P. Observation of scalar longitudinal electrodynamic waves // Europhgs. Lett. 59(4), p. 514-520, 2002. [Электронный ресурс]: Режим доступа: www.trinitas.ru EUROPHYSICS LETTRS August 2002.rtf.
5. Патент РФ «Способ излучения продольных электромагнитных радиоволн и антенны для его осуществления», №2310954 С1, кл. МКИ H01Q 13/00, 2007 г.
6. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, Антенно-фидерные устройства. - М.: Сов. Радио, 1961. - 815 с.: ил.
7. Протасевич Е.Т. Некоторые особенности взаимодействия электромагнитных волн ТЕ- и ТЕМ-типов с металлами. Радиотехника и электроника. М.: Изд-во РАН, т. 48, 1988, №1, с. 5-7.
8. Николаев Г.В., Протасевич Е.Т. «Формирование продольных электромагнитных волн как результат сложения поперечных электромагнитных волн» // Протасавич Е.Т. Электромагнитные волны. - Томск. 1998. - с. 79-85).
9. Ермолаев Ю.М. «Эффект преобразования двух СВЧ поперечных электромагнитных волн в продольную электромагнитную волну» // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ и оптических частот. - 2002. ТХ, вып. 4(36). - с. 18-23).
10. Бутусов К.П. «Продольная волна в вакууме порождается «поперечной электромагнитной волной» поляризованной по кругу» // Фундаментальные проблемы естествознания: мат.междунар. научн. конг. - СПб, 1998. - с. 29).
11. Патент США, «Antenna for Electron Spin Radiation», Robert T. Hart, Vladimir I. Korobejnikov, №2007/0013595 A1, H01Q 11/12, 2007).
12. Коробейников В. Новый вид электромагнитного излучения. [Электронный ресурс]: Режим доступа (http://www.n-t.m/tp/ts/nv.htm-->src=''Новый вид электромагнитного излучения. files/top 100.gif.
13. Патент США «Systems, Apparatuses, and Methods for Generating and/or Utilizing Scalar-Longitudinal Waves», US №9306527 Bl, МКП: H03H 2/00, H01Q 1/36, H04B 13/02, 2016).
14. (патент РФ №2287212, «Устройство для излучения продольно-скалярных электромагнитных волн», кл. МКИ H01Q 13/02, 2006 г.),
15. Патент РФ «Способ и антенна для передачи и приема продольных электромагнитных волн», №2354018 С2, кл. МКИ H01Q 11/06, 2008 г.)
16. Парселл Э. Электричество и магнетизм. Берклеевский курс физики. Т. 2. М.: «Наука», 1984, с. 430.
17. (Основы безвихревой электродинамики. Рис. 10 | Контент-платформа Pandia.ru [Электронный ресурс]: Режим доступа (http;//pandia.ru/text/78/588/92594.php),
18. [Электронный ресурс]: Режим доступа: (https://referatbank.ru/referat/previem/11286/referat-prodolnye-elektromagnitnye-volny.html).
19. Кузнецов Ю.Н. Основы безвихревой электродинамики. Часть 1. Потенциальное магнитное поле. [Электронный ресурс]: Режим доступа (https://works.doklad.ru/view/AzEkARSX93E/all.ritml.
20. Кузнецов Ю.Н. Теория продольных электромагнитных полей (безвихревая электродинамика). // «Журнал Русской Физической Мысли» (ЖРФМ), 1995, №1-6, стр. 99-113.
21. Кузнецов Ю.Н. Основы безвихревой электродинамики. Часть 2. Продольные электромагнитные волны. [Электронный ресурс]: Режим доступа (HTTPS://works.doklad.ru/view/V\vGwKpjuTSJY.html).
22. Кузнецов Ю.Н. Безвихревая электродинамика. Часть 3. Математическая модель. [Электронный ресурс]: Режим доступа (baza-referat.ru/Безвихревая_электродинамика_математическая_модель).
23. В.М. Schiffman. A New Class of Broad-Band Microwave 90-Degree Phase Shifters. JRE Trans 1958 MTT-6 IV №2 pp. 232-237.
24. Вершинин И.М. СВЧ-инвертор на связанных линиях. Электронный ресурс]: Режим доступа: (technology.snauka.ru/2016/02/9596).
25. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств / С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др: Под ред. В.И. Вольмана. - М.: Радио и связь, 1982. - 328 с., ил.
26. Конструирование экранов и СВЧ-устройств: Учебник для вузов / A.M. Чернушенко, Б.В. Петров, Л.Г. Малорацкий и др.; Под ред. A.M. Чернушенко. - М.: Радио и связь, 1990. - 352 с.: ил.
27. [Электронный ресурс]: Режим доступа: (https://referatbank.ru/referat/previem/11286/referat-prodolnye-elektromagnitnye-volny.html