Patente de Espelhos ionosféricos artificiais que são compostos por uma camada de plasma que pode ser inclinada
Autor: Ditador Nicastro | Publicado: 2012-05-25T13:39:00-03:00





Fonte: United States Patent and Tradewmark Office



http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&amp;Sect2=HITOFF&amp;u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&amp;r=12&amp;p=1&amp;f=G&amp;l=50&amp;d=PTXT&amp;S1=4%2C686%2C605&amp;OS=4%2C686%2C605&amp;RS=4%2C686%2C605




 

  
United
  States Patent 

  
5,041,834

 

  
Koert 

  
August 20, 1991 

 













 

  
Patente dos Estados Unidos 

  
5,041,834

 

  
Koert 

  
20 De agosto de 1991 

 











Espelhos ionosféricos artificiais são compostos por uma camada de plasma
que pode ser inclinada 

Resumo

Esta invenção refere-se a
geração de um espelho ionosféricos Artificial (AIM), ou uma camada de plasma na
atmosfera. O objectivo é usado como a ionosfera para refletir energia RF em
grandes distâncias. Um objectivo inclinável é criado por uma antena aquecedor
controlada na fase e frequência. O desvio de fase de antena aquecedor varre um
feixe para pintar uma camada de plasma. Frequência é alterada para recentrar em
continuamente altas altitudes para inclinar a camada de plasma. 










 

  
Inventores: 

  
Koert; Peter
  (Washington,
  DC)

 

  
Cessionário:

  
APTI, Inc.
  (Washington, DC)

 

  
Appl. n. º: 

  
07/524,435

 

  
Arquivado: 

  
17 De Maio de 1990

 











 

  
Classe atual dos EUA:

  
342/367 ; 342/372

 

  
Classe internacional atual: 

  
H01Q 21/06 (20060101); H01Q
  15/14 (20060101); H01Q 3/26 (20060101); H04B 7/22 (20060101); H04B 007/00 ();
  H01Q (22/03/00)

 

  
Campo de pesquisa: 

  
342/367,353,371,372 455/64 

 






References Cited  [Referenced By]

U.S. Patent Documents
 

 
3445844
May 1969
Grossi et al.

4253190
February 1981
Csonka

4686605
August 1987
Eastlund

4712155
December 1987
Eastlund et al.

4817495
April 1989
Drobot





Primary Examiner:  Issing; Gregory C.

  Attorney, Agent or Firm: 










Reclamações












O que é reivindicado é:

1. Um método para gerar um objectivo, que inclui as etapas de: 

(a) criação de ionização avalanche na atmosfera usando uma antena
aquecedor; 

(b) reorientação disse antena aquecedor para alterar a altitude de
ionização avalancha referido por freqüência mudando disse antena aquecedor; e 

(c) varredura disse antena aquecedor para pintar uma camada de ionização
de avalanche. 

2. Um método para gerar um objectivo como alegado na reivindicação 1,
onde disse antena aquecedor concentra-se no próximo campo. 

3. Um aparelho para a geração de um objectivo que inclui: 

uma antena de aquecedor de Multielementos que concentra-se a uma
altitude de causar uma área de ionização avalanche a ser criado na atmosfera; 

(b) meios para controlar a freqüência dos radiadores individuais de
antena de aquecedor disse phased array recentrar a referida altitude de área de
ionização avalancha disse; e 

(c) meios para controlar a fase de radiadores individuais para
digitalizar antena de aquecedor disse phased array. 

4. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 3 onde
disse antena aquecedor de Multielementos concentra-se causar avalanche disse
ionização área substancialmente a linha. 

5. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 4 onde
disse meios para controlar a fase move disse linha substancialmente a uma
altitude constante e meios para controlar a freqüência movimentos referida
linha para diferentes altitudes. 

6. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 4 onde
disse antena de aquecedor em fases matriz é uma matriz retangular e linha disse
é formada paralelamente a uma dimensão longa da referida matriz retangular. 

7. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 3 onde
disse antena aquecedor de Multielementos concentra-se causar avalanche disse
ionização área ser substancialmente um ponto. 

8. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 7 onde
disse meios para controlar a fase move disse ponto substancialmente à mesma
altitude e meios para controlar a freqüência movimentos ponto a diferentes
altitudes. 

9. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 3 onde
disse antena aquecedor de Multielementos concentra-se no próximo campo. 

10. Um método de gerar um objectivo que inclui as etapas de: 

(a) concentrando-se uma antena de aquecedor phased array a uma altitude
de causar uma área de ionização avalanche a ser criado na atmosfera; 

(b) controlando a freqüência de radiadores individuais de antena de
aquecedor disse phased array recentrar a referida altitude de disse área de
ionização avalanche; 

(c) controlar a fase de radiadores individuais para digitalizar antena
de aquecedor disse phased array. 

11. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 10 onde
disse passo de focalizar causas disse ionização avalanche são substancialmente
a linha. 

12. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 11 onde
disse passo de controlar movimentos de fase disse linha substancialmente em uma
altitude constante e cada escalão disse controlando a freqüência se move a
linha disse a diferentes altitudes. 

13. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 11 onde
disse antena de aquecedor em fases matriz é uma matriz retangular e linha disse
é formada paralelamente a uma dimensão longa da referida matriz retangular. 

14. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 10 onde
disse passo de focalizar causas avalancha disse ionização área ser
substancialmente um ponto. 

15. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 14 onde
disse passo da fase controlar movimentos ponto substancialmente na mesma
altitude e passo disse controlando a freqüência move referido ponto para
diferentes altitudes. 

16. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 10 onde
disse etapa de focalizar é executada no próximo campo.










Descrição












PLANO DE FUNDO DA INVENÇÃO 

1. Campo da invenção 

Esta invenção refere-se a geração de um espelho ionosféricos Artificial
(AIM), ou uma camada de plasma na atmosfera. O objectivo é usado como a
ionosfera para refletir energia RF em grandes distâncias. 

2. Descrição da arte relacionado 

No passado, a técnica de usar a ionosfera como um espelho para refletir
as ondas de rádio, ou energia de RF, tem dado os operadores de rádio amador a
capacidade de enviar transmissões a longas distâncias. Essa técnica também
forneceu sistemas de radar a capacidade de olhar "no horizonte."
Variações e flutuações na ionosfera, no entanto, podem tornar a eficácia de
tais comunicações incerto. Assim, reconheceu-se a conveniência de criar camadas
de plasma controlável na atmosfera para fins de comunicação. Ver, por exemplo,
US Pat. N º 4,686,605 emitido para Eastlund e US Pat. N º
4.712.155 emitido para Eastlund et al. 

Experiências anteriores dirigidas para criar camadas de plasma para comunicações
sofreram a incapacidade de controlar a inclinação da camada de plasma para que
sinais poderiam ser transmitidos e recebidos de vários intervalos. Em outras
palavras, enquanto que um poderia criar uma camada de plasma na atmosfera a uma
altitude mais baixa do que a ionosfera, comunicações ponto a ponto teria
limitadas no intervalo com base nos ângulos de reflexão dos sinais transmitidos
e refletidos. 

RESUMO E OBJETOS DA INVENÇÃO 

Em vista das limitações da arte relacionado é um objeto da presente
invenção para gerar uma camada de plasma que poderia ser angulada ou inclinada
com relação ao horizonte de modo a afetar o alcance de transmissão do sinal. 

A presente invenção fornece um método para gerar uma camada de plasma em
altitudes controladas e inclinações que funciona como um espelho ionosféricos
artificial (AIM) para refletir sinais de RF e sistema. O objectivo aumenta o
alcance e a previsibilidade com qual RF energia pode ser refletida o objectivo
para fins de comunicação. Mais especificamente, um objectivo inclinável é
criado por uma antena aquecedor controlada na fase e frequência. O desvio de
fase de antena aquecedor varre um feixe para pintar uma camada de plasma.
Antena aquecedor continuamente focaliza em um altas altitudes por freqüência
mudando para inclinar a camada de plasma. 

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS 

Mais detalhes da invenção presente são explicados com a ajuda dos
desenhos conectados em que: 

Fig. 1 mostra a criação de um objectivo por uma antena aquecedor e uso
do objectivo para o controle de aeronaves e refletindo as ondas de rádio. 

Fig. 2 mostra uma matriz de aquecedor típico. 

Fig. 3 mostra a relação espacial para uma matriz de aquecedor utilizado
na definição de foco de matriz de aquecedor. 

Fig. 4 é um gráfico que mostra que a energia está em seu limite superior
no ponto focal de antena. 

Fig. 5 mostra geração de plasma por uma matriz de aquecedor. 

Fig. 6 ilustra a geração de uma camada de plasma por uma antena
aquecedor de varredura. 

Fig. 7 ilustra a geração de uma camada de plasma inclinado por varredura
e reorientar a antena aquecedor. 

Fig. 8 mostra a geração de uma camada de plasma com uma antena aquecedor
para digitalizar com uma linha em vez de um ponto. 

Fig. 9 mostra as correções de fase para mover o ponto de contacto da
antena de 60 Km a 61 Km. 

Fig. 10 mostra as correções de frequência para mover o ponto de contacto
da antena de 60 Km a 61 Km. 

Fig. 11 é uma trama de altitude v. local de distância do plasma sem
freqüência chilrear. 

Fig. 12 é uma trama de altitude v. local de distância do plasma com
frequência chilrear. 

Fig. 13 mostra a mudança de densidade de potência após a reorientação
usando freqüência chilrear. 

Fig. 14 gráficos da densidade do elétron livre v. altitude para uma
matriz desfocada. 

Fig. 15 mostra um padrão de alimentação de antena sem Gradil lóbulos. 

Fig. 16 mostra um padrão de alimentação de antena com Gradil lobos. 

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS ENCARNAÇÕES PREFERIDAS 

Fig. 1 ilustra a criação e o uso de um Artificial ionosféricos espelho
(AIM) para o controle de aeronaves e refletindo as ondas de rádio. Uma antena
aquecedor 1 irradia causando ionização de avalancha energia ou avaria liberando
elétrons livres na atmosfera para gerar o objectivo 2. A aquecedor antena 1 é
uma matriz que pode ser usada para concentrar energia em diferentes altitudes e
elevações para inclinar o objectivo 2 usando o controle de fase e frequência. O
objectivo 2 simula a ionosfera 3 que também é usada para detectar "sobre
os alvos horizon" 5. Além disso, o objectivo 2 pode refletir sinais de
rádio transmitidas de um transmissor de 6 para um receptor 7 longas distâncias.


Uma antena aquecedor típico é mostrada na Fig. 2. Ele consiste de uma
matriz de vários elementos radiantes ativos 10 tendo sua fase individual e
freqüência controlada de um módulo de controle 12. O elemento radiante 10 é
usado aqui para representar todas as antenas possíveis, incluindo, mas não se
limitando a, dipolos, caça-níqueis, pequenos ou grandes chifres, antenas log-periodic,
grandes refletores parabólicos, etc. 

Fig. 3 mostra a relação espacial para uma matriz de aquecedor focada.
Para ter os campos elétricos de todo o foco de elementos de matriz, ou chegar
na fase a distância R.sub.o no campo próximo da matriz, é necessário corrigir a
fase de cada elemento para compensar a diferença de atraso de fase do elemento
Centro devido ao caminho de fase adicional W.sub.ij. Se R.sub.o é muito maior
que o máximo D.sub.ij na Fig. 3, o atraso de fase pode ser aproximado em comprimento
de onda a ser: 

onde g é o comprimento de onda da frequência de aquecedor. Equação 1 é
referida como o erro quadrático fase. Se esse erro for menor que g/8 quando o
elemento (i, j) é na borda externa da matriz, então a distância R.sub.o é dito
ser o campo distante da matriz. 

A fim de concentrar-se no conjunto, R.sub.o, é necessário dispor de
vários comprimentos de onda de erro de fase dos elementos exteriores da matriz.
Ou seja, o termo "foco" é usado neste contexto significa que o campo
elétrico da matriz está concentrado em uma região espacial desejada. 

Fig. 4 mostra o grau de foco que pode ser realizado. Este é um padrão
vertical de uma matriz cujos elementos tenham sido fase mudado para foco em 60
km. A matriz tem 400 elementos com uma largura total e comprimento de 2000 g. O
pico do padrão é determinado pela dependência 1/R.sub.o.sup.2. 

A camada de ionização objectivo é criada usando esse poder concentrado
para ionizar uma área na atmosfera, como mostrado na Fig. 5. A repartição de
microondas de ar ocorre onde elétrons livres ganham bastante energia de um
campo elétrico para gerar elétrons livres adicionais até que não mais podem ser
gerado, assim resultando em ionização de avalanche, ou de uma avaria. Isso faz
com que a geração de uma camada de plasma 21. Por exemplo, um pulso de energia
do aquecedor começa a se propagar na direção z mostrada na Fig. 5. Como o campo
se propaga, mais elétrons livres são gerados. Um ponto de ruptura descende
verticalmente o ponto focal do campo propagação dando espessura camada
ionizada, ou camada de plasma, até que todos os ionização estabiliza. Esta
"fixação" cria uma camada fina de plasma vertical. 

Resultados da simulação mostram que quando uma matriz 20 concentra-se em
um picos de energia 22, ponto do campo elétrico no ponto focal. Simulação de
resultados mostra que dada uma ionização de avalancha de origem de microondas
concentrado ou repartição ocorrerá em uma potência de nível 3-10 dB abaixo do
nível de potência do ponto focal. 

Para criar um objectivo, a matriz de aquecedor concentra-se em uma
altitude desejada para maximizar o potencial de um ponto e, assim, gerar
plasma. A antena do aquecedor, em seguida, "examina" a fase de cada
elemento da matriz para mover o ponto focal. 

Fig. 6 ilustra a criação de uma camada de objectivo noninclined. A
matriz de aquecedor 30 concentra-se em primeiro lugar no ponto 31. A matriz de
aquecedor verifica horizontalmente por fase, mudando para um ponto 32 criando
uma linha de ionização avalancha 33. Em seguida, a matriz de aquecedor varre um
ponto 34 um ponto 35 criando outra avalancha ionização linha 36. A matriz de
aquecedor continua esse processo para criar um plano de ionização ou objectivo
camada. 

Para formar uma nuvem de objectivo inclinada, cada nova linha de
ionização deve ocorrer a uma altitude ligeiramente superior. Alterando a fase
ou frequência dos elementos da matriz, o ponto focal pode ser movido na
altitude, conforme descrito abaixo. 

Fig. 7 ilustra a criação de um objectivo inclinado. A matriz de aquecedor
40 concentra-se em primeiro lugar no ponto 41. A matriz de aquecedor varreduras
ao longo da direção x ao ponto 42 para gerar ionização avalancha ao longo da
linha 43. Em seguida, como na criação de um objectivo não inclinados, a matriz
de aquecedor verifica junto a x e y instruções diretamente abaixo ponto 44. A
matriz de aquecedor 40 altera a fase ou freqüência de recentrar a uma altitude
superior na direção z até o ponto 44. A matriz de aquecedor examina, em
seguida, ao longo do eixo x ao ponto 45 para criar a linha de ionização
avalancha 46. A matriz de aquecedor continua esse processo para criar um plano
de ionização inclinada ou inclinado camada de objectivo. 

Fig. 8 mostra que o método preferido de gerar uma camada de plasma usa
uma antena aquecedor para digitalizar com uma linha em vez de um ponto. Usando
uma linha de varredura é preferido como um objectivo pode ser criado na
atmosfera em menos tempo. Para criar linhas de ionização, em vez de pontos, uma
matriz retangular 50 é usado. Na matriz de 50, elementos radiantes
concentram-se apenas ao longo do plano da longa dimensão da matriz rectangular,
criando uma linha de ionização 53. A matriz, em seguida, é verificada ao longo
do eixo x-y e de altitude ao longo do eixo z para criar outra linha de
ionização 55. Mais linhas de ionização da mesma forma são geradas para formar
uma camada de objectivo inclinada. 

Para criar um objectivo inclinado é necessário recentrar a matriz de
aquecedor a altitudes sucessivamente mais elevados. Mover o ponto focal,
alterando a fase de cada elemento do aquecedor de forma muito precisa não é
prático. Mover o ponto focal do local inicial requer a alteração da fase em
cada elemento. A mudança de fase necessária é perto do nível de tolerância do
rms, tipicamente de 1 grau. Fig. 9 mostra as correções de fase necessária para
mover o ponto focal de 60 Km para elementos de 61 km. 5, 10, 15 e 20 têm
distâncias 5 d, 10D, d 15 e 20D, respectivamente do centro da antena, onde d =
25 metros é claro da Fig. 9 que é impraticável alterar inúmeras fases de
elemento de antena para mover o ponto focal para criar patches inclinados para
aplicações de objectivo. elementos de 2000 podem ser necessário aqui, para
gerar energia suficiente para ionizar a atmosfera. 

O segundo método de reorientação é realizado pela primeira configuração
as fases de todos os elementos para o ponto de foco inicial e, em seguida,
movendo o ponto focal, alterando a freqüência, em vez da fase. Esta frequência
gorjeios método é menos preciso, mas mais fácil de implementação de hardware
como fases precisas para elementos de 2000 não precisam ser alterados. Fig. 9
mostra as correções de fase necessária para mover o ponto focal de 60 Km 61 km.
Fig. 10, indica que o ponto focal pode ser movido de 100 metros, aumentando a
frequência aproximadamente 1 Mhz. Os níveis de energia resultantes do ponto
focal não são totalmente otimizados, mas simulação mostra que há menos de um
0.1 diferença de DB entre a frequência mudou picos e os obtidos por eliminação.


Inclinar o AIM usando freqüência chilrear é prático para atingir em um
sistema real. Fig. 11 mostra a localização de camada de plasma com nenhuma
frequência chilrear. Fig. 12 mostra a localização de plasma do aquecedor mesmo
criando um objectivo inclinado, aumentando a frequência de 550 MHz a 559.375
MHz durante a digitalização horizontalmente. O resultado é um bom patch com uma
inclinação de 45 graus. 

Embora seja verdade que freqüência gorjeios não alcança o mesmo poder
que fase focando a altitude mais elevada, a diferença de freqüência pequena
silvos é insignificante. Fig. 13 mostra dados de densidade de potência real
gerados por um aquecedor de 300 MHz com foco a 70 km com a frequência gorjeou
308 MHz. 

Da região de campo distante, poder encontra seu Ligado superior sem
foco. Para um campo distante ou matriz desfocada, não há nenhuma maneira de
elevar a altitude de ionização ou criar um objectivo inclinado. Ionização tem
lugar em um ponto onde não há energia suficiente para iniciar a desagregação e
onde há baixa suficiente densidade neutra (ou seja, pressão). Isso geralmente
ocorre entre 40 e 50 km de altitude, como mostrado na Fig. 14. Por conseguinte,
uma antena de campo focado próximo é necessário para criar um objectivo
controlado. 

O padrão de foco é uma figura de interferência construtiva e destrutiva
dos campos dos elementos da matriz. Outras posições de interferência ou Gradil
lóbulos, fora o ponto focal ocorrerem quando alguns dos elementos da matriz add
up em fase. O poder do gradil lóbulos pode ser mantido abaixo do lóbulo
principal, ou ponto focal, por ter um grande número de elementos na matriz e
espalhá-los para fora sobre a abertura de matriz. Isso é chamado de afinamento
do array. Para matrizes quadradas ter 400 elementos ou mais lóbulos Gradil pode
ser mantido para baixo de 20 db ou mais a partir do ponto focal. 

O grau de focalizar depende a relação da distância focal para tamanho de
abertura. A largura da metade de sua potência de pico "V" pode ser
aproximada como: 

onde l é o comprimento da matriz que é assumido a Praça para a equação
2. O gradiente de energia no meio ponto de poder "grad(P)" pode ser
aproximado como: 

Para um fim é desejável que o gradiente de energia ser elevada porque
isso determina diretamente o gradiente de densidade de elétrons da nuvem
ionizada gerada. A densidade de elétrons deve ser elevada para evitar perdas de
RF causadas por absorção. Daí v ser pequena, de preferência menos de 2 km. A
aquecedor freqüência de 300 MHz e uma distância focal de 70 Km seria projeto um
tamanho de abertura maior que 2 km. nota na equação 2 que ajusta o tamanho da
matriz com a raiz quadrada da frequência. 

Uma vez que é necessária uma antena de campo próximo, o campo próximo da
antena aquecedor pode ser necessário estender para alcançar pontos distantes.
Isso é feito, aumentando o tamanho da matriz. Pode não ser economicamente
viável para encher esta abertura inteira com elementos, portanto, uma matriz
diluído é utilizado. 

Se uma matriz diluído tinha seus elementos uniformemente distribuídos,
haveria muitos lóbulos Gradil no padrão de radiação da matriz. Estes lobos
Gradil podem ser eliminados por aleatoriamente os elementos de espaçamento. No
entanto, espaçamento aleatório coloca poder do lóbulos Gradil no nível dos
lobos laterais média. Se não há novos elementos são introduzidos quando a
abertura é aumentada, então a potência de pico do Lobo principal permanece
constante e o lóbulo principal recebe menos da potência total como seu
beamwidth diminui. Para preservar a eficiência da matriz aquecedor, grating
lóbulos deve ser utilizado na criação de nuvem objectivo ou a matriz não pode
ser fortemente diluída. Fig. 15 mostra uma matriz com espaçamento uniforme
tendo grating lóbulos. Fig. 16 mostra uma matriz com espaçamento randomizado
que elimina os lóbulos de Gradil. 

Embora a invenção foi descrita acima com especial referência para
determinadas encarnações preferidas. o, será entendido que modificações e
variações são possíveis dentro do espírito e alcance das declarações anexadas.