СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
METHOD OF EXCITATING ELECTROMAGNETIC WAVES

Настоящее изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано при разработке устройств для излучения радиоволн преимущественно дециметрового и более длинноволнового диапазона электромагнитных волн.
Существующий способ возбуждения электромагнитных волн основан на использовании в качестве излучателей отрезков проводов с низким удельным сопротивлением различной конфигурации (штыри, петли, их комбинации, антенные решетки и т.д.). Принципы конструирования антенн, в том числе и активных передающих, описаны в многочисленной литературе, например:
- Фельд Я.Н. Основы теории антенн. М.: Дрофа, 2007;
- Нефедов Е.И. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. М.: Академия, 2008;
- Неганов В.А. Современная теория и практические применения антенн. М.: Радиотехника, 2009;
- Maclean Т S М., Ramsdale P.A. Short active serial for transmission - Jnt J. Electron., 1974, v. 36, №2, p. 261-269;
- Должников B.B., Цыбаева Б.Г. Активные передающие антенны. М.: Радио и связь, 1984 г. Формирование и анализ модели активной передающей антенны (прототип).
Активные антенны - это устройства, объединяющие собственную антенну (пассивная часть) и активные элементы усиления, преобразования или генерации сигналов. В этом случае объединение функции таких устройств (прием или передача радиоволн и усиление, преобразование или генерация сигналов введенными в антенну активными элементами) не реализуются обычным последовательным соединением ряда функционально законченных узлов, а обеспечиваются электрически единым устройством.
К общему недостатку существующего способа возбуждения электромагнитных колебаний можно отнести то, что эффективность излучения существенно зависит от геометрических характеристик излучающих элементов антенны, конструкции которых должны соответствовать длинам волн рабочих частот возбуждаемых электромагнитных колебаний, что приводит к большим геометрическим размерам антенн, особенно в области низких частот.
Целью изобретения является снижение геометрических размеров устройств возбуждения электромагнитных волн.
Поставленная цель достигается за счет того, что каждый период гармонического колебания разбивается на N импульсов прямоугольной формы одинаковой амплитуды, сумма которых воспроизводит гармонический сигнал, каждый импульс формируется одним из N активных элементов, работающих в ключевом режиме, при этом каждый активный элемент нагружен на один из N пассивных излучающих элементов.
1
2
N
1
2
N
Блок-схема варианта реализации предлагаемого способа возбуждения электромагнитных волн представлена на фиг. 1. Обозначения принятые на фиг. 1: АЭ, АЭ, …, АЭ - активные элементы от 1 до N; И, И, …, И - излучатели.
Работа устройства, реализующего предлагаемый способ возбуждения электромагнитных волн, заключается в следующем.
Все активные элементы (например, транзисторы) должны быть однотипны и поставлены в ключевой режим усиления. На входную клемму каждого из них подается импульс прямоугольной формы одинаковой амплитуды, длительность которого определяется формулой
,
где T - период рабочей частоты; n - номер активного элемента.
На фиг. 2 графически представлена огибающая N суммируемых прямоугольных импульсов. Она близка к форме гармонического колебания, соответствующего усиливаемому гармоническому сигналу в усилителе класса A. Усиливаемый сигнал в классе усиления A представляется в следующем виде:
m
i(t)=I(1+cosωt),
m
где I - амплитуда гармонического колебания; ω=2π/T.
m
m
При максимальном значении тока усилителя, равном 2I, амплитуда каждого импульса выбирается равной 2I/N.
1
Величина амплитуды 1-й гармоники I от всех N импульсов определяется с помощью разложения Фурье:
.
Поскольку нагрузкой каждого активного элемента является излучатель (например, петлевой вибратор с геометрическими размерами, существенно меньшими длины волны рабочей частоты), то суммирование происходит в эфире.
Таким образом, принципиальным отличием предлагаемого способа излучения от традиционного является то, что основным фактором в формировании электромагнитной волны заданной частоты являются не геометрические размеры излучателя, а количество излученных импульсов заданной, соответствующей рабочей частоте длительности.
Для оценки уровней высших гармоник рассчитаем их амплитуды, которые определяются следующим соотношением:
Следует учесть, что спектр прямоугольных импульсов не содержит гармоник четных порядков (см., например, Е.И. Манаев. Основы радиоэлектроники. М.: Радио и связь, 1985).
Результаты расчета представлены на фиг. 3. Уровень высших гармоник на фиг. 3 представлен в дБ. Из приведенного на фиг. 3 графика видно, что уровень высших гармоник зависит от числа N активных элементов, и при N≥200 уровень высших гармоник не превысит – 68дБ, что в большинстве случаев удовлетворяет требованиям электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств на объекте.
n
При смене рабочей частоты изменяется длительность периода T и, соответственно, длительность импульсов t включения каждого активного элемента.
Таким образом, в предлагаемом способе излучающие элементы возбуждают в окружающей среде электромагнитные импульсы, сумма которых возбуждает электромагнитную волну заданной частоты, при этом в отличие от традиционного способа не требуется поддержания соответствия геометрических размеров излучателей длине волны рабочей частоты.