Спосіб радіозв’язку
Власники патенту UA 2446566:
Винахід відноситься до радіозв'язку в іонізованих середовищах і може бути використане для зв'язку з підводними об'єктами. Технічний результат, що досягається - підвищення інформативної ємності каналу зв'язку. Спосіб радіозв'язку включає модуляцію переданого радіосигналу і його випромінювання антеною, електричне збудження іонів середовища розповсюдження радіосигналів по фазі і магнітного векторів електромагнітного поля випромінювання антен та прецесію осей обертання іонів (диполів) середовища поширення радіохвиль. 3 з.п. ф-ли, 5 іл.
Винахід відноситься до радіозв'язку в іонізованих середовищах і може бути використане для зв'язку з підводними об'єктами.
Відомий спосіб підводного радіозв'язку, патент України №2117399 за класом H04B 31/00. Спосіб передбачає модуляцію інформативним сигналом і випромінювання передавальної антеною наддовгих хвиль, проходження останніх крізь водне середовище та їх прийом приймальної антеною. Основні недоліки способу - мала інформативна ємність каналу зв'язку і великі розміри антен, що використовуються. Зазначені недоліки обумовлені застосуванням наддовгих хвиль.
Найбільш близьким за технічною сутністю і досягається результатом до заявляється способу є спосіб підводного радіозв'язку, описаний в журналі Навігація і час, №1, 2, Санкт-Петербург, 1993. - с.20 - прототип. Спосіб включає модуляцію радіосигналу, що передається, і його випромінювання передавальної антеною, електричне збудження іонів середовища поширення радіосигналів знаступним прийомом сигналу радіоприймаючої антеною.
Основний недолік прототипу – мала інформативна ємність каналу зв'язку. Недолік обумовлений необхідністю використання наднизьких частот радіосигналу, швидкісна модуляція якого неможлива, що дозволяє передавати суттєві обсяги інформації. Звідси й мінімальна інформативна ємність каналу зв'язку.
Технічним завданням, на вирішення якої направлено винахід, є підвищення інформативної ємності каналу зв'язку.
Для вирішення поставленої задачі в способі радіозв'язку, що включає модуляцію переданого радіосигналу і його випромінювання передавальної антеною, електричне збудження іонів середовища поширення радіосигналів з наступним прийомом сигналу радіоприймаючої антеною, згідно винаходу кілька передавальних антен розташовують по колу і запитують зрушеними по фазі та магнітного векторів електромагнітного поля випромінювання антен та прецесію осей обертання іонів (диполів) середовища поширення радіосигналів.
Прецесію векторів іонізації іонів (диполів) середовища поширення здійснюють рівномірним зсувом фаз між струмами, що протікають в рівномірно розташованих по колу передаючих антени.
При цьому фазовий зсув струмів в антенах може проводитися як на несучій частоті радіосигналу, що передається, так і на частоті сигналу додаткової модуляції. У цьому випадку приймання радіосигналу проводять на частоті додаткової модуляції.
Випромінюване передавальної антеною прецесуюче електромагнітне поле збуджує прецесію електричних моментів іонів середовища розповсюдження, що передається від іона до іона, поки не досягне приймальної антени. Оскільки витрати енергії на збудження електромагнітним полемПрецесії електричних моментів іонів значно менші, ніж на переміщення самих іонів, частота радіозв'язку може бути значно збільшена. Підвищення частоти радіосигналу, що несе, дозволяє збільшити швидкість передачі даних та інформативну ємність каналу зв'язку.
Використання для отримання прецесії електромагнітного поля додаткової модуляції з частотою нижче, ніж частота несучої радіосигналу, дозволяє підвищити частоту радіосигналу по відношенню до частоти прецесії і пропорційно зменшити розміри передаючих антен за збереження їх ефективності.
Все це в сукупності дозволило суттєво підвищити інформативну ємність каналу зв'язку, збільшити його дальність і скоротити розміри антен без зниження їх ефективності, що виявилося в суттєвий техніко-економічний ефект.
Фіг.1. Антенна система, що запитується зі зсувом фаз.
Фіг.2. Порушення поля прецесії.
Фіг.3. Поле прецесії в площині, нормальній вектору радіосигналу Е.
Фіг.4. Порушення іона прецесуючим полем антени.
Фіг.5. Взаємодія полів прецесії електричних моментів іонів середовища поширення радіосигналів при збіговому та ортогональному розташуванні їх векторів іонізації.
На фіг.1 зображено антенна система, що включає три рівномірно розміщені по колу антени A1, A2 і A3, джерело електричної енергії е(t) і два фазообертачі φ1 і φ2, включені між другою і третьою антенами, при цьому джерело електричної енергії приєднано до першої антени.
Працює антенна система в такий спосіб. Під впливом сигналу е(t) в антенах будуть збуджуватись електричні коливання з частотою збуджуючого сигналу. Оскільки електричні коливання в кожній з антен відрізнятимуться за фазою в площині,нормальної до осей антен, виникне поле прецесії.
Виникнення збудливих полі прецесії електричних векторів показано на фіг.2. Тут E1, E2 і Е3 зсунуті по фазі вектори електричної складової поля випромінювання антен A1, A2 і A3 відповідно. Е1-Е2 та Е2-Е3 електричні вектори поля випромінювання, що виникли внаслідок зсуву фаз між векторами Е1, E2 та Е3, випромінюваними антенами A1, A2 та A3 відповідно.
Фіг.3 показує проекцію векторів електричної складової поля випромінювання антен на площину, перпендикулярну до напряму осей. Тут А1, А2 і A3 проекції антен і проекції векторів Е1-Е2 і Е2-Е3 на вказану площину і Epr, що виникло в результаті зсуву фаз полі прецесії.
На фіг.4 зображено вплив випромінюваного антенами прецесує електромагнітного поля на електричний момент іона - диполя. Тут - кут прецесії вектора напруженості електричного поля іона (диполя), під впливом поля прецесії Epr.
Фіг.5 відображає взаємодію прецесує вектора електричного моменту іона 1 з іонами при збігається 2 і ортогональному 3 розташування векторів їх електричних моментів.
Іонам в електролітах притаманні два типи руху:
- хаотичний броунівський рух, що виникає внаслідок температурного впливу;
- обертання навколо власної осі – спин, за рахунок якого виникає електричний момент та вектор іонізації молекул.
Спроби впорядкувати броунівський рух іонів і зробити його синхронним з електромагнітним випромінюванням, що передається, вимагає великих витрат енергії і веде до значних втрат радіосигналу. Тому реалізують спосіб радіозв'язку в такий спосіб. За допомогою генератора електричної енергії е(t) (фіг.1) рівномірно розміщених по колуантена А1-А3 збуджують електричні коливання з відносним зрушенням фаз φ. Таке збудження призводить до відмінності амплітуд векторів Е і Н, випромінюваних антенами будь-якої миті часу. Це дасть проекції векторів Е на площину, перпендикулярну до осей антен (фіг.2) і збудить в ній поле прецесії Epr (фіг.3). Поява кругового поля прецесії змусить прецесувати вектори Е і Н випромінюваного антенами результуючого електромагнітного поля.
В результаті прецесії взаємодія поля випромінювання з іонами середовища поширення радіосигналів у ближній та дальній зонах випромінювання буде різною.
У ближній зоні електричні моменти іонів розчину впливатиме як плоска електромагнітна хвиля, і полі прецесії. Внаслідок впливу плоскої хвилі електричні моменти іонів (диполі) у ближній зоні випромінювання будуть орієнтовані у напрямку вектора Е. Їхня орієнтація вимагатиме значних зусиль, що призведе до значних втрат енергії плоскої хвилі. Як це випливає з формули
де - втрати в dB/m, f - частота в Гц, - питома провідність води в mho/m.
Кордони ближньої зони визначаться сферою, радіус якої залежить від глибини проникнення плоскої хвилі, яка визначається товщиною скін-шару, згідно з формулою
де - товщина скін-шару, - число пі, f - частота, - магнітна проникність і - питома провідність середовища поширення радіосигналу.
Таким чином, у ближній зоні, радіус якої залежить від глибини скін-шару, поширюватиметься плоска хвиля із втратами, що визначаються формулою (1). Ця хвиля мало придатна для підводного радіозв'язку через значні втрати. Її користь для організації радіозв'язку полягає в тому, що в ближній зоні плоска хвиля зорієнтує велику кількість диполів іонівнапрямку вектора Е і всі вони матимуть синхронну з випромінюваним сигналом прецесію електричних моментів.
За межами ближньої зони дипольні моменти збуджених антенами іонів, у свою чергу, взаємодіятимуть з іонами в дальній зоні з силою, яка визначається законом Кулону
де F - сила взаємодії між зарядами іонів, q1 і q2 - заряди іонів, - діелектрична проникність середовища поширення радіосигналів, r - відстань між іонами.
Дистанція взаємодії між іонами залежатиме від сили, необхідної для порушення прецесії їх дипольних моментів та від їхньої взаємної орієнтації. При збігу напрямів векторів електричної поляризації іонів ця відстань буде максимальною (диполі 1 і 2 на фіг.5). Зі зростанням кута між ними відстань взаємодії швидко скорочуватиметься і при ортогональному розташуванні векторів електричної поляризації взаємодія іонів буде прагнути до нуля (диполі 1 і 3 на фіг.5). Далі прецесія буде передаватися від іона до іона, поки не досягне приймальної антени і не порушить в ній електричні коливання, синхронні з сигналом, що передається.
Дальність радіозв'язку у запропонованому способі значно зростає з наступних причин:
- Для збудження прецесії електричних моментів іонів потрібно значно менше енергії, ніж на збудження коливань іонів з частотою сигналу, що передається. Іонізовану молекулу можна розглядати як гіроскоп, що обертається навколо осі, утвореної електричним вектором іона. З механіки відомо, що гіроскоп дуже стійкий до збереження площини обертання, і потрібні значні зусилля, щоб змінити її. Однак не складає великих зусиль легкими періодичними поштовхами змусити прецесувати вісь його обертання;
-Прецесія збуджується в основному у однотипних іонів з орієнтованими векторами електричних моментів. Витрата енергії на збудження інших іонів мінімальна. Це скорочує кількість іонів, що збуджуються, і відповідно витрата енергії і втрати радіосигналу.
- Енергія прецесії здатна накопичуватися. Тому амплітуда прецесії збуджуваного іона зростатиме доти, доки його енергія не досягне рівня енергії іона - збудника. І так по всьому ланцюгу, від антени, що передає, до приймальні.
У запропонованому способі радіозв'язок здійснюється у два етапи.
У ближній зоні плоска хвиля, що випромінюється, орієнтує електричні дипольні моменти іонів у напрямку свого електричного вектора. Цим забезпечується синхронізація прецесії осей обертання великої кількості іонів у ближній зоні та їхня синхронна взаємодія з диполями за межами ближньої зони. У цьому функції плоскої хвилі закінчуються.
За межами ближньої зони силами електричної взаємодії прецесія передається від іона до іона, доки досягне приймальної антени. У цьому збуджуються, переважно, однотипні іони з однаково орієнтованими векторами дипольних моментів. Тому поза ближньої зони енергія радіосигналу витрачається дуже економно, і дальність зв'язку значно зростає. Така організація радіозв'язку дозволяє проводити її більш високих частотах і значно підвищити її інформативну ємність і швидкість передачі.
Прецесія векторів електромагнітного поля, випромінюваного антеною системою, може порушуватися як частоті несучої, і частоті додаткової модуляції. Використання для збудження прецесії векторів дипольних моментів іонів додаткової модуляції з частотою нижче частоти несучої дозволяє підвищитичастоту несучої, зменшити розміри антен та підняти їх ефективність. У цьому випадку приймання радіосигналу проводять на частоті додаткової модуляції.
Все це разом дає значний техніко-економічний ефект від використання запропонованого способу радіозв'язку.
1. Спосіб радіозв'язку, що включає модуляцію переданого радіосигналу і його випромінювання передавальної антеною, електричне збудження іонів середовища розповсюдження радіосигналів з наступним прийомом сигналу радіоприймаючої антеною, який відрізняється тим, що випромінювання радіосигналу виробляють кількома розміщеними по колу антенами, які запитують збуджують прецесію електричного та магнітного векторів електромагнітного поля випромінювання антен та прецесію осей обертання іонів (диполів) середовища поширення радіосигналів.
2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що антени рівномірно розташовують уздовж кола і запитують електричними сигналами з рівномірним зсувом фаз струмів в антенах.
3. Спосіб за п.1 або 2, який відрізняється тим, що зсув фаз струмів в антенах здійснюють на частоті несучої радіосигналу.
4. Спосіб за п.1 або 2, який відрізняється тим, що радіосигнал додатково модулюють, а фазовий зсув електричних струмів в передаючих антенах здійснюють на частоті додаткової модуляції, при цьому прийом радіосигналу здійснюють на частоті додаткової модуляції.