УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ

Устройство относится к области усиления электромагнитных волн и может быть использовано при разработке передающих радиоантенн.
Известен способ усиления электромагнитной волны, включающий наложение ее поля на движущиеся в вакууме электронные сгустки (Т.Маршалл «Лазеры на свободных электронах» М. Мир. 1987. стр.46). Направление движения сгустков совпадает с направлением наложенного на них поля и как следствие, электроны тормозятся, передавая свою энергию электромагнитной волне. Недостаток способа состоит в том, что для формирования электронных сгустков необходимо дорогостоящее устройство.
Известный способ усиления приходящей извне радиоволны включает наложение ее поля на поле излучения передающей антенны (ЕПВ №0208830 МПК Н 01 Q 3/36, публ. 89.03.29.). Усиление в способе достигается тем, что направление излучения передающей антенны поддерживают совпадающим с направлением распространения приходящей извне радио-волны. Недостаток способа состоит в необходимости точного согласования характеристик испускаемого излучения с характеристиками усиливаемой радиоволны. Недостаток определяется тем, что энергия излучаемая антенной, движется самостоятельным потоком и не передается усиливаемой радиоволне.
В качестве прототипа выбрано устройство для усиления электромагнитной волны, которое представляет собой источник, налагающий на поле волны переменное электромагнитное поле накачки при условии, что в зоне наложения полей размещена усилительная среда (Г.Клингер. «Сверхвысокие частоты». М. Наука. 1969. Стр.87). Работа устройства основана на способности усилительной среды поглощать энергию поля накачки и затем отдавать эту энергию усиливаемой волне. Недостаток прототипа состоит в
необходимости использования усилительной среды и определяется отсутствием непосредственной передачи энергии от поля накачки к усиливаемой волне. Отсутствие непосредственной передачи обусловлено тем, что поле накачки формируется в поле волны произвольно и взаимная энергия налагающихся полей получает приросты разных знаков от каждого поля случайным образом.
Задачей предлагаемого устройства является осуществление непосредственной передачи энергии от поля накачки к усиливаемой волне.
Поставленная задача решается тем, что к источнику, налагающему на поле волны электромагнитное поле накачки, дополнительно подключен регулятор, поддерживающий ввод в область наложения полей положительных приростов взаимной энергии полем накачки и отрицательных приростов взаимной энергии полем волны.
Технический результат от использования предлагаемого устройства выражается в отказе от применения усилительной среды в процессе передачи энергии от поля накачки к усиливаемой волне.
Сущность предлагаемого устройства иллюстрируется схемами на фигурах 1-3. На фиг.1 показана подлежащая усилению плоская синусоидальная электромагнитная волна 1, имеющая электрическую компоненту параллельную плоскости чертежа. Волна 1 двигаясь в свободном пространстве слева направо проходит через отверстие 2 в экране 3 и дифрагируя образует расходящийся конус 4. Вне конуса 4, т.е. там, где волна 1 отсутствует расположены пластины конденсатора 5, электрическое поле которого является полем накачки. Конденсатор 5 остается незаряженным до тех пор, пока напряженность поля волны 1 между его пластинами не достигнет максимального значения. В момент достижения этого максимума (фиг.2) регулятор 7 на короткое время подключает конденсатор 5 к батарее 6, в результате чего собственное электрическое поле конденсатора 5 скачком возрастает от нуля до постоянного значения. За время скачка волна 1 между пластинами перемещается незначительно и поэтому возникающее поле
конденсатора 5 добавляется к практически неизменному полю волны 1. В результате добавления образуется суммарное электрическое поле, энергия которого определяется выражением:
1
где E - напряженность электрического поля волны;
2
Е - напряженность электрического поля конденсатора в момент отключения последнего от батареи 6
Первое слагаемое правой части равенства (1) выражает энергию электрического поля волны и эта энергия остается неизменной в период возникновения поля конденсатора. Вместе с тем, в данный период к упомянутому первому слагаемому добавляются второе и третье слагаемые, выражающие соответственно энергию поля конденсатора и взаимную энергию налагающихся полей. То есть, поле конденсатора 5 вводимое в область уже занятую полем волны вносит в эту область энергию, величина которой дается суммой второго и третьего слагаемых правой части равенства (1). Следовательно, при формировании поля накачки батарея (6) передает в область суперпозиции не только энергию нарастающего поля конденсатора 5, но и взаимную энергию налагающихся полей. Нарастание поля конденсатора 5 прекращается в момент отключения последнего регулятором 7 от батареи 6, после чего заряд на пластинах, а с ним и поле конденсатора остаются неизменными вплоть до полного удаления волны из области суперпозиции. В результате удаления волны, между пластинами остается только собственное поле конденсатора 5 (фиг.3) и, следовательно вместе с волной удаляется энергия, выражаемая суммой первого и третьего слагаемых правой части равенства (1). Рассматриваемый колебательный цикл заканчивают тем, что в положении показанном на фиг.3 напряжение на конденсаторе 5 скачком уменьшают от постоянного значения до нуля. Таким образом, в ходе цикла взаимная энергия первоначально получает положительный прирост от поля накачки, а затем такой же отрицательный
прирост от поля волны и, в итоге цикла соответствующая приросту энергия оказывается переданной от поля накачки волне.
Для практического осуществления предлагаемого устройства более удобно, если поле накачки изменяется не скачкообразно а непрерывно, поэтому при проведении опытов колебания поля накачки так же как и колебания поля волны имели синусоидальную форму. Частоты упомянутых колебаний одинаковы, а разность фаз между ними в области суперпозиции равна четверти периода. В этой ситуации, поле, имеющее фазовое опережение, вносит только отрицательные приросты взаимной энергии, в то время как со стороны отстающего поля взаимная энергия получает только положительные приросты. Соответственно, в при проведении опытной проверки в качестве отстающего было выбрано поле накачки.
Установка для проведения опытной проверки предлагаемого устройства схематически показана на фиг.4. Установка содержит: генератор синусоидальных колебаний 1, подключенный к передающим диполям 2 и 3, причем диполь 3 подключен через посредство регулятора 11; приемный диполь 4, подключенный к измерительному прибору 5; а так же поглощающий радиоволны экран 6, снабженный отверстием 7. Основные параметры установки следующие: частота колебаний - 1 гГц; диаметр отверстия 7-15 см; расстояние между центром отверстия 7 и каждым из диполей 2 и 4-60 см; удаление каждого из диполей 2 и 4 от экрана 6-20 см. Работает установка так: при включенном генераторе 1 диполи 2 и 3 испускают ненаправленное излучение, электрическая компонента которого перпендикулярна плоскости чертежа. При этом, волна от диполя 3 пройдя через отверстие 7 образует поток, не выходящий за пределы границ 8. Одновременно на приемный диполь 4 попадает волна от диполя 2, не выходившая в процессе своего движения за пределы границ 9. В зоне 10, очерченной совместно границами 8 и 9, ситуация аналогична показанной на фигурах 1-3, поскольку в центре этой зоны регулятором 11 разность фаз пересекающихся
волн поддерживается равной четверти периода, причем фазовое отставание имеет поток, образованный отверстием 7.
Пример конкретного выполнения. Установка, показанная на фиг.4 использовалась для проведения двух серий опытов, в ходе которых мощность излучения диполя 2 была неизменна и амплитуда электрического поля волны, поступившей от диполя 2 в центр зоны 10 оставалась фиксированной. Опыты заключались в варьировании амплитуды поля накачки, т.е. потока образованного отверстием 7 при одновременном замере амплитуды поля волны, попадающей на приемный диполь 4.
При осуществлении первой серии опытов расстояние между диполем 3 и отверстием 7 составляло 7 см и, при таком расстоянии роль поля накачки выполняло индукционное поле диполя 3. Результаты этой серии приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Электрическое поле накачки в центре зоны 10
В/М
0
0,1
0,2
0,4
1,3
2,0
Электрическое поле волны попадающей на диполь 4
В/М
0,5
0,6
0,7
0,8
1,0
1,1
При осуществлении второй серии опытов расстояние между диполем 3 отверстием 7 составляло 40 см и при таком расстоянии роль поля накачки выполняло волновое поле диполя 3. Результаты этой серии приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Электрическое поле накачки в центре зоны 10
В/М
0
0,1
0,2
0,4
1,3
2,0
Электрическое поле волны попадающей на диполь 4
В/М
0,5
0,6
0,7
0,75
0.8
0,9
Из полученных данных следует, что энергия поля накачки может быть передана электромагнитной волне непосредственно, т.е. без использования усилительной среды, причем независимо от того является поле накачки индукционным или волновым.