СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАПРАВЛЕННОСТИ РАДИОАНТЕННЫ Российский патент 1997 года по МПК H01Q11/02 H04B10/00 

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для создания антенн бегущей волны с искусственной апертурой.

Известен способ повышения направленности радиоантенны [1] на основе искусственной апертуры, заключающийся в формировании ионизированного воздушного канала путем высоковольтного разряда между двумя электродами, формирования радиоимпульса, излучении радиоимпульса вдоль ионизированного канала, распространении электромагнитной волны радиоимпульса вдоль ионизированного канала и формирование диаграммы направленности антенны.

Недостатками известного способа являются небольшие размеры искусственной апертуры и следовательно, степень сужения диаграммы направленности антенны оказывается незначительной. Кроме того, ионизированный воздушный канал имеет нестабильные пространственные и электрофизические параметры, что в свою очередь приводит к нестабильным характеристикам радиоантенн.

Известен способ повышения направленности радиоантенн [2] выбранный в качестве прототипа, основанный на использовании лазерного излучения, и который позволяет частично устранить недостатки предыдущего способа.

Известный способ включает следующие операции: формирование импульса лазерного излучения, формирование ионизированного воздушного канала и одновременно формирование радиоимпульса, излучение радиоимпульса вдоль ионизированного канала, распространение радиоимпульса вдоль ионизированного канала и формирование диаграммы направленности антенны.

Недостатком описанного способа являются большие энергозатраты на формирование ионизированного канала, которые получаются еще больше из-за необходимости создания и воздушном канале избыточной ионизации, так как в связи с небольшим временем релаксации ионизированный канал сравнительно быстро (единицы, десятки микросекунд) нейтрализуется. Еще один недостаток этого способа состоит в том, что ионизированный воздушный канал сравнительно однороден в продольном направлении, в то время как для хорошего взаимодействия с электромагнитной волной он должен иметь периодическую неоднородную структуру, имеющую фазовую скорость распространения радиоволн меньше, чем в окружающем пространстве.

Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно уменьшение энергозатрат на формирование замедляющей структуры и увеличение времени ее существования.

Для достижения поставленной цели в способе повышения направленности радиоантенны, включающем формирование импульса лазерного излучения, формирование канала для распространения радиоволн, одновременное формирование и излучение радиоимпульса, распространение радиоимпульса вдоль канала и формирование диаграмм направленностии антенны, импульс лазерного излучения формируется бигармоническим, замедляющая структура формируется в виде спинполяризованного воздушного канала, а распространение радиоволн осуществляется вдоль замедляющей структуры.

На фиг. 1 представлена последовательность и взаимосвязь изложенных операций, где известные операции; Δ операции, отличающиеся от прототипа режимом их проведения; 1 формирование импульса бигармонического лазерного излучения; 2 формирование спинполяризованного воздушного канала; 3 формирование радиоимпульса; 4 излучение радиоимпульса вдоль замедляющей структуры; 5 распространение электромагнитной волны вдоль замедляющей структуры и формирование диаграммы направленности антенны.

Принципиальной особенностью предлагаемого способа является формирование лазерного излучения бигармоническим (двухчастотным). Разностная частота бигармоники выбирается близкой к типичным частотам элементарных возбуждений и парамагнитный среде, обусловленных движением ядер и электронов. Численно разность длин волн двух гармоник не превышает долей ангстрема. При этом абсолютное значение длин волн двух гармоник, в данном способе значения не имеет.

Ключевое значение в предлагаемом способе имеет формирование спинполяризованного воздушного канала выполняющего роль замедляющей структуры в антенне бегущей волны. В отличии от прототипа, где происходит (в зависимости от длины волны лазерного излучения) одно или многофотонная ионизация газов входящих в состав воздуха, т.е. молекулы и атомы газов в возбужденном состоянии (за счет поглощения фотонов) теряют электроны, в предлагаемом способе взаимодействие молекул азота и кислорода, имеющих парамагнитные свойства, происходит одновременно с двумя квантами лазерного излучения имеющими разные частоты. При этом спины электронов молекул кислорода и ядер молекул азота попадающих в магнитное поле разностной электромагнитной волны ориентируются вдоль силовых линий ее магнитного поля.

Так при воздействии на парамагнитный газ бигармонического лазерного излучения с определенной разностью частот происходит его спинполяризация и воздух переходит в спинполяризованное состояние. При этом между молекулами кислорода и азота возникают дальнодействующие (по масштабам микромира) обменные взаимодействия, называемые спиновыми волнами, и их электрофизические свойства резко меняются. В результате спинполяризации воздуха в нем происходит образование магнитных диполей, зквивалентных по своим свойствам электрическим диполям или свободным зарядам. В спинполяризованном канале воздуха образуется квазикристаллическая периодическая структура с периодом равным периоду спиновых волн, которая благодаря обменным взаимодействиям при внешних воздействиях (тепловые и другие движения молекул). За счет этого время релаксации достигает десятков-сотен миллисекунд.

Операции формирования радиоимпульса и его излучения вдоль замедляющей структуры особых отличий от прототипа не имеют и поэтому подробно не рассматриваются (их сущность раскрывается в названии). Операция распространения электромагнитных радиоволн вдоль замедляющей структуры и формирование диаграммы направленности антенны отличается от прототипа тем, что за счет формирования полноценной замедляющей структуры радиоволны распространяются вдоль нее как вдоль линии задержки. Это обеспечивает синфазное сложение радиоволн вдоль замедляющей структуры и формирование предельно узкой диаграммы направленности.

На фиг. 2 приведена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство (фиг. 2) содержит лазер 1, формирующую оптику 2, передатчик 3, излучатель 4. Лазер 1 предназначен для получения импульса, бигармонического лазерного излучения и может быть выполнен, например, на основе твердотельного лазера. В отличии от прототипа, где для ионизации воздуха более эффективными оказываются УФ лазеры, в данном устройстве длина волны бигармоники принципиального значения не имеют, важно лишь обеспечить требуемую разность частот. Для этого в резонатор лазера устанавливается диспергирующий элемент, например, интерферометр Фабри-Перо и выбирается соответствующая длина резонатора. Формирующая оптика 2 предназначена для изменения диаметра и расходимости пучка лазерного излучения. Формирующая оптика представляет из себя обычную коллимирующую оптическую систему, которая либо фокусирует лазерное излучение на заданном расстоянии, либо обеспечивает его расходимость близкой к дифракционной. Диаметр пучка лазерного излучения согласуется с соответствующими проходными отверстиями излучателя. Передатчик 3 предназначен для формирования радиоимпульса и может содержать, в зависимости от назначения, типичный набор узлов (задающий генератор, усилитель, модулятор и т.д.). Излучатель 4, как и во всех антеннах бегущей волны, выполняет функции согласования антеннофидерного тракта передатчика со свободным пространством с учетом наличия в нем замедляющей структуры 5 в виде спинполяризованного канала. Излучатель 4 может быть как в прототипе волноводным, а также волноводно-рупорным или коаксиально-рупорным.

Работает устройство (фиг.2) следующим образом.

В лазере 1 генерируется импульс двухчастотного лазерного излучения, который направляется на формирующую оптику 2, где осуществляется изменение его расходимости и диаметра. Пройдя через излучатель 4, лазерное излучение попадает в пространство формирования замедляющей структуры. Под действием бигармонического лазерного излучения молекулярные газы воздуха, попадающие в сечение пучка лазерного излучения, переходят в спинполяризованное состояние. Одновременно в передатчике 3 формируется радиоимпульс, который направляется в излучатель 4. Электромагнитные волны радиодиапазона распространяются от излучателя вдоль спинполяризованного канала, выполняющего роль замедляющей структуры. При этом за счет меньшей, чем в окружающем пространстве фазовой скорости радиоволн в замедляющей структуре, вдоль всей этой структуры происходит их синфазное сложение, и за счет этого диаграмма направленности антенны оказывается эквивалентной диаграмме направленности антенны имеющей приблизительно такие же поперечные размеры.

Технико-экономическая оценка изобретения проводилась теоретически и экспериментально. Экспериментально определено, что сечение взаимодействие бигармонического лазерного излучения на 5-6 порядков превосходит сечение взаимодействия при ионизации воздуха лазерным излучением с другим спектральным составом. Предполагается, что снижение требуемой мощности излучения будет аналогично. Также зарегистрирована периодическая структура спинполяризованного канала и определен ее период составляющий единицы сантиметров. Экспериментально измерено время релаксации спинполяризованного состояния составляющего десятки-сотни миллисекунд, что на несколько порядков больше чем в прототипе и также ведет к снижению энергозатрат т.к. уменьшается период периодического восстановления направляющей структуры в антенне бегущей волны.

Из приведенных данных видно, что предложенный способ и устройство для его реализации позволяют существенно снизить энергозатраты при создании малогабаритных высоконаправленных антенн с искусственной апертурой и перевести вопрос их реализации в практическую плоскость.

Источники информации.

1. Frans. Antennus and Propagation JEEE, AP 32, N 2, 1984, с. 141
2 M. MOISAN. A Waveguide-Based Launcher to Sustain Long Plasma Columns Through the Propagation of an Electromagnetic Surface Wage. JEEE Trans. on plasma science, vol. PS-12, N 3, september 1984. (прототип).

Использование: изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для создания антенн бегущей волны с искусственной апертурой. Сущность изобретения: способ повышения направленности радиоантенны включает: формирование импульса бигармонического лазерного излучения, формирование замедляющей структуры в виде спинполяризованного воздушного канала с помощью бигармонического лазерного излучения, одновременно формирование и излучение вдоль замедляющей структуры радиоимпульса, распространение радиоволн вдоль сформированной замедляющей структуры и формирование диаграмм направленности антенны. Антенна бегущей волны содержит последовательно установленный лазер и формирующую оптику, передатчик радиоволн и подключенный к нему излучатель имеющий отверстие для прохождения лазерного излучения, при этом резонатор лазера введен диспергирующий элемент, а направляющая структура формируется в виде спинполяризованного воздушного канала. Целью изобретения является уменьшение энергозатрат на формирование замедляющей структуры и увеличение времени ее существования. 2 ил.

Способ повышения направленности радиоантенны, заключающийся в том, что формируют импульс лазерного излучения, воздействуют импульсом лазерного излучения на воздушный канал вдоль направления его распространения, одновременно формируют и излучают с помощью сформированного канала радиоимпульс, а при распространении радиоимпульса формируют диаграмму направленности антенны, отличающийся тем, что импульс лазерного излучения формируют бигармоническим, воздействуют бигармоническим лазерным излучением на спины электронов и ядер газовых компонент воздуха, а распространение радиоволн осуществляют вдоль сформированной замедляющей структуры в виде спинполяризованного воздушного канала.