СПОСОБ РАДИОСВЯЗИ
RADIO COMMUNICATION METHOD

Изобретение относится к радиосвязи в ионизированных средах и может быть использовано для радиосвязи с подводными объектами.
Известен способ подводной радиосвязи, патент России №2117399 по классу H04B 31/00. Способ предполагает модуляцию информативным сигналом и излучение передающей антенной сверхдлинных волн, прохождение последних сквозь водную среду и их прием приемной антенной. Основные недостатки способа - малая информативная емкость канала связи и большие размеры используемых антенн. Указанные недостатки обусловлены применением сверхдлинных волн.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ подводной радиосвязи, описанный в журнале Навигация и время, №1, 2, Санкт-Петербург, 1993. - с.20 - прототип. Способ включает модуляцию передаваемого радиосигнала и его излучение передающей антенной, электрическое возбуждение ионов среды распространения радиосигналов с последующим приемом сигнала радиоприемной антенной.
Основной недостаток прототипа - малая информативная емкость канала связи. Недостаток обусловлен необходимостью использования сверхнизких частот радиосигнала, скоростная модуляция которого невозможна, что не позволяет передавать существенные объемы информации. Отсюда и малая информативная емкость канала связи.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение информативной емкости канала связи.
Для решения поставленной задачи в способе радиосвязи, включающем модуляцию передаваемого радиосигнала и его излучение передающей антенной, электрическое возбуждение ионов среды распространения радиосигналов с последующим приемом сигнала радиоприемной антенной, согласно изобретению несколько передающих антенн располагают по окружности и запитывают сдвинутыми по фазе токами, чем возбуждают прецессию электрического и магнитного векторов электромагнитного поля излучения антенн и прецессию осей вращения ионов (диполей) среды распространения радиосигналов.
Прецессию векторов ионизации ионов (диполей) среды распространения осуществляют равномерным сдвигом фаз между токами, протекающими в равномерно расположенных по окружности передающих антеннах.
При этом фазовый сдвиг токов в антеннах может производиться как на несущей частоте передаваемого радиосигнала, так и на частоте сигнала дополнительной модуляции. В этом случае прием радиосигнала производят на частоте дополнительной модуляции.
Излучаемое передающей антенной прецессирующее электромагнитное поле возбуждает прецессию электрических моментов ионов среды распространения, которая передается от иона к иону, пока не достигнет приемной антенны. Поскольку затраты энергии на возбуждение электромагнитным полем прецессии электрических моментов ионов значительно меньше, чем на перемещение самих ионов, частота радиосвязи может быть значительно увеличена. Повышение несущей частоты радиосигнала позволяет увеличить скорость передачи данных и информативную емкость канала связи.
Использование для получения прецессии электромагнитного поля дополнительной модуляции с частотой ниже, чем частота несущей радиосигнала, позволяет повысить частоту радиосигнала по отношению к частоте прецессии и пропорционально уменьшить размеры передающих антенн при сохранении их эффективности.
Все это в совокупности позволило существенно повысить информативную емкость канала связи, увеличить его дальность и сократить размеры антенн, без снижения их эффективности, что выразилось в существенный технико-экономический эффект.
Описание рисунков.
Фиг.1. Антенная система, запитываемая со сдвигом фаз.
Фиг.2. Возбуждение поля прецессии.
Фиг.3. Поле прецессии в плоскости, нормальной вектору Е радиосигнала.
Фиг.4. Возбуждение иона прецессирующим полем антенной системы.
Фиг.5. Взаимодействие полей прецессии электрических моментов ионов среды распространения радиосигналов при совпадающем и ортогональном расположении их векторов ионизации.
На фиг.1 показана антенная система, включающая три равномерно размещенные по кругу антенны A1, A2 и A3, источник электрической энергии е(t) и два фазовращателя φ1 и φ2, включенные между второй и третьей антеннами, при этом источник электрической энергии присоединен к первой антенне.
Работает антенная система следующим образом. Под воздействием сигнала е(t) в антеннах будут возбуждаться электрические колебания с частотой возбуждающего сигнала. Поскольку электрические колебания в каждой из антенн будут отличаться по фазе в плоскости, нормальной к осям антенн, возникнет поле прецессии.
Возникновение возбуждающих поле прецессии электрических векторов показано на фиг.2. Здесь, E1, E2 и Е3 сдвинутые по фазе векторы электрической составляющей поля излучения антенн A1, A2 и A3 соответственно. Е1-Е2 и Е2-Е3 электрические векторы поля излучения, возникшие вследствие сдвига фаз между векторами Е1, E2 и Е3, излученными антеннами A1, A2 и A3 соответственно.
Фиг.3 показывает проекцию векторов электрической составляющей поля излучения антенн на плоскость, перпендикулярную направлению их осей. Здесь, А1, А2 и A3 проекции антенн и проекции векторов Е1-Е2 и Е2-Е3 на указанную плоскость и Epr, возникшее в результате сдвига фаз поле прецессии.
На фиг.4 показано воздействие излученного антеннами прецессирующего электромагнитного поля на электрический момент иона - диполя. Здесь, γ - угол прецессии вектора напряженности электрического поля иона (диполя), под воздействием поля прецессии Epr.
Фиг.5 отображает взаимодействие прецессирующего вектора электрического момента иона 1 с ионами при совпадающем 2 и ортогональном 3 расположении векторов их электрических моментов.
Ионам в электролитах присущи два типа движения:
- хаотическое броуновское движение, возникающее вследствие температурного воздействия;
- вращение вокруг собственной оси - спин, за счет которого возникает электрический момент и вектор ионизации молекул.
Попытки упорядочить броуновское движение ионов и сделать его синхронным с передаваемым электромагнитным излучением, требует больших затрат энергии и ведет к значительным потерям радиосигнала. Поэтому реализуют способ радиосвязи следующим образом. С помощью генератора электрической энергии е(t) (фиг.1) в равномерно размещенных по окружности антеннах А1-А3 возбуждают электрические колебания с относительным сдвигом фаз φ. Такое возбуждение приводит к различию амплитуд векторов Е и Н, излучаемых антеннами в любой момент времени. Это даст проекции векторов Е на плоскость, перпендикулярную осям антенн (фиг.2) и возбудит в ней поле прецессии Epr (фиг.3). Возникшее круговое поле прецессии заставит прецессировать векторы Е и Н излучаемого антеннами результирующего электромагнитного поля.
В результате прецессии взаимодействие поля излучения с ионами среды распространения радиосигналов в ближней и дальней зонах излучения будет различным.
В ближней зоне на электрические моменты ионов раствора будет воздействовать как плоская электромагнитная волна, так и поле прецессии. В результате воздействия плоской волны электрические моменты ионов (диполи) в ближней зоне излучения будут ориентированы в направлении вектора Е. Их ориентация потребует значительных усилий, что приведет к значительным потерям энергии плоской волны. Как это следует из формулы
где α - потери в dB/m, f - частота в Гц, σ - удельная проводимость воды в mho/m.
Границы ближней зоны определятся сферой, радиус которой зависит от глубины проникновения плоской волны, определяемой толщиной скин-слоя, согласно формуле
где δ - толщина скин-слоя, π - число пи, f - частота, µ - магнитная проницаемость и σ - удельная проводимость среды распространения радиосигнала.
Таким образом, в ближней зоне, радиус которой зависит от глубины скин-слоя, будет распространяться плоская волна с потерями, определяемыми формулой (1). Эта волна мало пригодна для подводной радиосвязи вследствие значительных потерь. Ее польза для организации радиосвязи состоит в том, что в ближней зоне плоская волна сориентирует большое число диполей ионов в направлении вектора Е и все они будут иметь синхронную с излучаемым сигналом прецессию электрических моментов.
За пределами ближней зоны дипольные моменты возбужденных антеннами ионов, в свою очередь будут взаимодействовать с ионами в дальней зоне с силой, определяемой законом Кулона
1
2
где F - сила взаимодействия между зарядами ионов, q и q - заряды ионов, ε - диэлектрическая проницаемость среды распространения радиосигналов, r - расстояние между ионами.
Дистанция взаимодействия между ионами будет зависеть от силы, необходимой для возбуждения прецессии их дипольных моментов и от их взаимной ориентации. При совпадении направлений векторов электрической поляризации ионов это расстояние будет максимальным (диполи 1 и 2 на фиг.5). С ростом угла между ними расстояние взаимодействия будет быстро сокращаться и при ортогональном расположении векторов электрической поляризации взаимодействие ионов будет стремиться к нулю (диполи 1 и 3 на фиг.5). Далее прецессия будет передаваться от иона к иону, пока не достигнет приемной антенны и не возбудит в ней электрические колебания, синхронные с передаваемым сигналом.
Дальность радиосвязи в предложенном способе значительно возрастает в силу следующих причин:
- для возбуждения прецессии электрических моментов ионов требуется значительно меньше энергии, чем на возбуждение колебаний ионов с частотой передаваемого сигнала. Ионизированную молекулу можно рассматривать как гироскоп, вращающийся вокруг оси, образованной электрическим вектором иона. Из механики известно, что гироскоп весьма устойчив к сохранению плоскости вращения, и требуются значительные усилия, чтобы ее изменить. Однако не составляет большого труда легкими периодическими толчками заставить прецессировать ось его вращения;
- прецессия возбуждается в основном у однотипных ионов с равно ориентированными векторами электрических моментов. Расход энергии на возбуждение остальных ионов минимален. Это сокращает количество возбуждаемых ионов и соответственно расход энергии и потери радиосигнала.
- энергия прецессии способна накапливаться. Поэтому амплитуда прецессии возбуждаемого иона будет возрастать до тех пор, пока его энергия не достигнет уровня энергии иона - возбудителя. И так по всей цепи, от передающей антенны к приемной.
В предложенном способе радиосвязь осуществляется в два этапа.
В ближней зоне излучаемая плоская волна ориентирует электрические дипольные моменты ионов в направлении своего электрического вектора. Этим обеспечивается синхронизация прецессии осей вращения большого количества ионов в ближней зоне и их синхронное взаимодействие с диполями за пределами ближней зоны. На этом функции плоской волны заканчиваются.
За пределами ближней зоны силами электрического взаимодействия прецессия передается от иона к иону, пока не достигнет приемной антенны. При этом возбуждаются, в основном, однотипные ионы с одинаково ориентированными векторами дипольных моментов. Поэтому за пределами ближней зоны энергия радиосигнала расходуется весьма экономно, и дальность связи значительно возрастает. Такая организация радиосвязи позволяет проводить ее на более высоких частотах и существенно повысить ее информативную емкость и скорость передачи данных.
Прецессия векторов электромагнитного поля, излучаемого антенной системой, может возбуждаться как на частоте несущей, так и на частоте дополнительной модуляции. Использование для возбуждения прецессии векторов дипольных моментов ионов дополнительной модуляции, с частотой ниже частоты несущей, позволяет повысить частоту несущей, уменьшить размеры антенн и поднять их эффективность. В этом случае прием радиосигнала производят на частоте дополнительной модуляции.
Все это в совокупности дает значительный технико-экономический эффект от использования предложенного способа радиосвязи.