СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В РАЗОМКНУТЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ Российский патент 1998 года по МПК H01Q9/30 H01Q9/34 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования сигналов в разомкнутых электрических цепях. Известен способ, при котором осуществляют электрическое соединение уединенных токопроводящих сред и возбуждают созданную разомкнутую электрическую цепь электрическим полем (см. авторское свидетельство СССР, 328825, H 01 Q 11/00, 1974).

Недостатки указанного способа следующие. Не ставится задача формирования уединенных токопроводящих сред с возможностью регулируемого накопления больших электрических зарядов в малом объеме. Формирование уединенных токопроводящих сред ведется без точного измерения электрической емкости и индуктивности токопроводящей среды в разомкнутой электрической цепи. Формирование разомкнутой электрической цепи ведется с целью выделения в окружающую среду максимальной мощности. При этом не используется возможность работы системы разомкнутая электрическая цепь - окружающее пространство в качестве электрического резонансного колебательного контура. Все это вызывает следующие негативные моменты: работа исключительно на электромагнитной волне, чрезмерное потребление мощности от источника питания, усложнение устройств для реализации способа.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является способ, реализуемый в штыревой антенне (авторское свидетельство СССР 629575, H 01 Q 9/34, 1978).

Недостатки указанного способа следующие: работа исключительно на электромагнитной волне, чрезмерное потребление мощности от источника питания, усложнение устройств для реализации способа.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является устранение указанных недостатков и создание принципиально нового способа формирования сигналов в разомкнутых электрических цепях. Так, на основании данного способа можно построить передатчик, работающий на электромагнитной волне, который при одинаковых со стандартными передатчиками выходных параметрах потребляет по крайней мере на порядок меньшую мощность. Можно построить приемник, который при одинаковой со стандартными приемниками чувствительностью будет иметь по крайней мере на порядок большую дальность приема. Можно построить излучатель на эффекте зарядного излучения с узкой диаграммой направленности, который можно использовать не только в средствах связи или так называемой передачи энергии на расстояние, но и, например, в медицинских целях. Можно построить передатчик с использованием зарядного излучателя, который при крайней простоте конструкции можно использовать в системах закрытой связи, например, в кабельном телевидении. Можно построить множество различных типов измерителей электрических емкостей уединенных проводников, причем точность измерений может достигать десятых и сотых долей пикофорады.

Указанная задача решается тем, что в способе формирования сигналов в разомкнутых электрических цепях, при котором осуществляют электрическое соединение уединенных проводников и возбуждают созданную разомкнутую электрическую цепь электрическим полем, уединенные проводники формируют с возможностью регулируемого накопления электрического заряда, измеряют электрическую емкость и индуктивность каждого из сформированных уединенных проводников и, изменяя величины емкостей и индуктивностей, осуществляют согласование собственной частоты колебаний разомкнутой электрической цепи с частотой возбуждающего электрического поля.

Электрическое соединение уединенных проводников осуществляют также с помощью инерционных токовых элементов, при этом согласование собственной частоты колебаний разомкнутой электрической цепи с частотой возбуждающего электрического поля осуществляют регулировкой инерционных токовых элементов.

Формирование уединенных проводников в их электрическое соединение осуществляют также в средах, которые подавляют электрическое поле и задерживают его распространение во времени, а также подавляют и отражают электромагнитное поле.

На фиг. 1 дано графическое изображение электрической емкости уединенного проводника (в дальнейшем накопителя заряда), включаемой в разомкнутую электрическую цепь, на фиг. 2 дано графическое изображение переменной емкости накопителя заряда, включаемого в разомкнутую электрическую цепь, на фиг. 3 представлена схема устройства, реализующего способ по п. 1, поясняющая работу простейшей разомкнутой электрической цепи, на фиг. 4 представлена эквивалентная схема устройства на фиг. 3, на фиг. 5 представлена схема передатчика, реализующего способ по п.1, на фиг. 6 дана эквивалентная схема передатчика на фиг. 5, на фиг. 7 представлен приемник, реализующий способ по п. 1, на фиг. 8 дана эквивалентная схема приемника на фиг. 7, на фиг. 9 представлена схема передатчика, реализующего способ по п. 2, на фиг. 10 представлена схема приемника, реализующего способ по п. 2, на фиг. 11 представлена схема передатчика, реализующего способ по п. 2, на фиг. 12 представлена схема передатчика, реализующего способ по п. 2, на фиг. 13 представлена схема простейшего передатчика, реализующего способ по п. 3, на фиг. 14 представлена схема простейшего приемника, реализующего способ по п. 3, на фиг. 15 представлена схема резонансного зарядового излучателя, реализующего способ по п. 3.

Устройство, представленное на фиг. 3 и реализующее способ по п.1, состоит из уединенных токопроводящих сред 1 и 2 (в дальнейшем накопителей заряда 1 и 2) и соединяющего их электрически источника электрического поля 3, причем емкость накопителя заряда 2 является переменной величиной.

Устройство на фиг 5, реализующее способ по п. 1, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 3, но последовательно с перестраиваемым накопителем заряда 2 к источнику электрического поля 3 подключается индуктивность 4.

Устройство на фиг. 7, реализующее способ по п. 1, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 5, но вместо источника электрического поля 3 в электрическую цепь включен измеритель 5, который может быть входной частью приемного тракта. Источником электрического поля 3 является внешнее электрическое поле.

Устройство на фиг. 9, реализующее способ по п. 2, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 5, но вместо индуктивности 4 включен инерционный токовый элемент 6.

Устройство на фиг. 10, реализующее способ по п. 2, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 7, но вместо индуктивности 4 включен инерционный токовый элемент 6.

Устройство на фиг. 11, реализующее способ по п. 2, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 9, но между накопителями заряда 1 и 2 включен дополнительный инерционный токовый элемент 7.

Устройство на фиг. 12, реализующее способ по п. 2, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 9, но параллельно инерционному токовому элементу 6 включена последовательная цепочка из дополнительных инерционного токового элемента 7, накопителя заряда 8 и инерционного токового элемента 9.

Устройство на фиг. 13, реализующее способ по п. 3, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг.3, но в пространство между накопителями заряда 1 и 2, а также и в сами накопители заряда 1 и 2 введена диэлектрическая среда 10.

Устройство на фиг. 14, реализующее способ по п. 3, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 13, но вместо источника электрического поля 3 в электрическую цепь включен измеритель 5, который может быть входной частью приемного тракта. Источником электрического поля 3 является внешнее электрическое поле.

Устройство на фиг. 15, реализующее способ по п. 3, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 12, но в пространство между накопителями заряда 2 и 8, а также и в сами накопители заряда 2 и 8 введена диэлектрическая среда 10. При этом вся система из накопителя заряда 2, диэлектрической среды 10 и накопителя заряда 8 заключена в среду 11, подавляющую электромагнитное поле.

Для описания реализации предложенного способа приведены необходимые разъяснения. Если два проводника любой формы подключить к разным полюсам источника постоянного или переменного напряжения, то на каждом из проводников накопится заряд. Причем оба заряда противоположны по знаку и равны по абсолютной величине. Это объясняется тем, что внутри источника существует электрическое поле, которое переносит заряда с одного полюса на другой и соответственно с одного проводника на другой. Процесс переноса заряда прекращается, когда поле от накопившихся на проводниках зарядов нейтрализует внутреннее поле источника напряжения. Таким образом, на каждом из проводников накоплен заряд Q и к каждому из проводников приложен определенный потенциал электрического поля ϕ. Мы имеем право утверждать, что любой проводник, подключенный к источнику напряжения, обладает электрической емкостью C, которая записывается как где Q - заряд, накопившийся на проводнике, а ϕ - потенциал электрического поля, приложенного к проводнику. На фиг. 1 дано графическое изображение электрической емкости накопителя заряда в разомкнутой электрической цепи. Любой проводник, несомненно, является накопителем заряда, по его емкость мала. Так, величина емкости трубчатого проводника диаметром 9 миллиметров и длиной 600 миллиметров всего 22 пикофорады. К тому же емкость проводника - величина распределенная, что не позволяет получать равномерные по длине проводника токи. В штыревой антенне, описанной в авторском свидетельстве СССР 629575, сделана попытка сформировать проводник с переменной емкостью. Эта емкость также распределена и к тому же здесь возникают излучающие токи, направленные под углом к основному излучающему току. Во время экспериментов по измерению электрических емкостей различных типов проводников были определены принципы построения накопителей заряда с большими величинами электрических емкостей при малых объемах накопителей. Была также решена задача построения накопителей с регулированием величины электрической емкости. На фиг. 2 дано графическое изображение переменной емкости накопителя заряда.

На фиг. 3 представлена простейшая схема передатчика, который реализует способ по п. 1. Здесь в рабочей полосе частот индуктивности накопителей заряда малы и ими можно пренебречь. Работа устройства происходит следующим образом. Источник электрического поля 3 (в дальнейшем генератор) перемещает заряд между накопителями заряда 1 и 2. В разомкнутой цепи 1 - 3 - 2 возникает ток I^u, который является производной по времени перемещаемого заряда Пусть емкости накопителей заряда 1 и 2 равны соответственно C1 и C2, а генератор формирует напряжение U = Δϕ, которое является разницей потенциалов на накопителях заряда Δϕ = ϕ₂-ϕ₁. Здесь ϕ₁ и ϕ₂ - потенциалы электрического поля на емкостях C1 и C2. Допустим, что внутреннее сопротивление генератора мало и им можно пренебречь. Теперь запишем потенциалы на накопителях, исходя из закона сохранения заряда

На фиг. 4 дана схема, представляющая собой замкнутый конур, где величины емкостей конденсаторов 1 и 2 соответствуют величинам емкостей накопителей на фиг. 3, а параметры генератора идентичны параметрам генератора на фиг. 3. Если рассмотреть схему на фиг. 4 и рассчитать величины падения напряжений на емкостях 1 и 2, то формулы падения напряжений на каждой из емкостей будут записаны также, как и формулы потенциалов на емкостях разомкнутой электрической цепи, за исключением знаков. Но если рассчитать падение напряжений на емкостях 1 и 2 схемы на фиг. 4, исходя из направлений, принятых в разомкнутой цепи, то восстановятся и знаки. Таким образом, схему на фиг. 4 можно считать эквивалентной схеме на фиг. 3. Теперь хорошо видно, что величина тока в разомкнутой цепи прямо пропорциональна общей величине емкости последовательно включенных емкостей накопителей заряда С1 и C2, что, несомненно, подтверждает правильность подхода к формированию излучателей с точки зрения их емкости и индуктивности. Напишем формулу соотношения потенциалов на накопителях заряда 1 и 2 (фиг. 3).

При том условии, что один из накопителей заряда, например 1, на фиг. 3 является корпусом прибора, на излучающем накопителе будет максимальный потенциал, если емкость корпуса будет много больше емкости излучателя. Если проводить разъяснения дальше, то можно показать, что любой разомкнутой цепи можно составить эквивалентную схему замкнутого контура, причем контур может быть и резонансным. Эксперименты показывают, что добротность такого контура может быть очень высокой.

На фиг. 5 представлена схема передатчика последовательного резонанса, реализующего способ по п. 1. Работу данного устройства удобно показать с помощью эквивалентной схемы на фиг. 6. Здесь генератор 3 включен в последовательную цепь с накопителями заряда 1 и 2 и индуктивностью 4. Накопители заряда 1 и 2 и индуктивность 4 сформированы таким образом, что в рабочей полосе частот они совместно с низкоомным внутренним сопротивлением генератора 3 составляют последовательный резонансный контур. Настройку контура на резонансную частоту осуществляют с помощью перестраиваемого накопителя заряда 2. На резонансной частоте общее сопротивление цепи 1 - 2 - 4 стремится к нулю и в контуре формируется излучающий ток большой величины. Основное преимущество устройства на фиг. 5 перед устройством на фиг. 3 в том, что для получения больших излучающих токов можно применять накопители с относительно малыми величинами емкостей.

На фиг. 7 представлена схема резонансного приемника, реализующего способ по п. 1. Работу данного устройства удобно показать с помощью эквивалентной схемы на фиг. 8. Здесь генератор 3 представляет собой внешнее электрическое поле с напряжением, равным разнице потенциалов на концах приемного контура. Измеритель 5 с низкоомным внутренним сопротивлением, который может быть входной цепью приемного тракта, включен в электрический колебательный контур 1 - 2 - 4 - 5. Настройку контура в резонанс с частотой внешнего возбуждающего поля осуществляют с помощью перестраиваемого накопителя заряда 2. На частоте резонанса контур 1 - 2 - 4 - 5 для внешнего поля 3 будет являться параллельным резонансным контуром, поэтому величины емкостей 1 и 2 можно брать большими, что соответственно создает возможность получения больших токов в измерителе 5. Следует отметить, что устройства на фиг. 5 и 7 являются также фильтрами, что ведет к упрощению цепей возбуждения и приема.

Недостатками устройств на фиг. 5 и 7 являются относительно небольшой диапазон перестройки емкости накопителя заряда, а также конструктивная трудность одновременной настройки накопителя заряда и цепей возбуждения и приема. Последний недостаток устраняется включением в схемы вместо индуктивности 4 инерционного токового элемента 6, который, являясь двухполюсником, осуществляет регулируемую задержку распространения заряда между накопителями. Стрелки на графическом изображении инерционного токового элемента обозначают возможность регулирования по времени и по скорости.

На фиг. 9 представлена схема передатчика последовательного резонанса с инерционным токовым элементом, реализующим способ по п. 2. Здесь также, как и в схеме на фиг. 5, образуется последовательный резонансный контур 1 - 3 - 6 - 2, что позволяет получать высокие излучающие токи на частотах резонанса, но с помощью накопителя заряда 2 осуществляют только подстройку диапазона рабочих частот, а основную настройку осуществляют с помощью инерционного токового элемента 6. На частоте резонанса в инерционном токовом элементе 6 устанавливается зарядовая волна с пучностью заряда на накопителе 2 и с узлом заряда на генераторе 3 и накопителе 1. Таким образом на накопителе заряда 2 достигается гораздо больший потенциал, чем на том же накопителе в схеме на фиг. 5, и при одинаковых емкостях накопителей 2 создается гораздо больший излучающий ток. Регулировку рабочей частоты в описываемом устройстве осуществляют в гораздо более широких пределах, чем в устройстве на фиг. 5, причем добротность контура выше, чем в устройстве на фиг. 5. Следует отметить, что сопряжение настройки контура и цепей возбуждения здесь осуществляется гораздо проще.

На фиг. 10 представлена схема резонансного приемника с инерционным токовым элементом, реализующего способа по п. 2. Здесь так же, как и в схеме на фиг. 7, образуется резонансный контур 1 - 5 - 6 - 2, что позволяет получить большие токи в измерителе 3, но с помощью накопителя заряда 2 осуществляют только подстройку диапазона рабочих частот, а основную настройку осуществляют с помощью инерционного токового элемента 6. На частоте резонанса в инерционном токовом элементе 6 устанавливается зарядовая волна с пучностью заряда на накопителе 2 и с узлом заряда на измерителе 5 и накопителе 1. Таким образом, для получения в измерителе 5 тех же токов, что и в схеме на фиг. 7, можно использовать меньшие емкости накопителя 2. Регулировку рабочей частоты осуществляют в более широких пределах, чем в приемнике на фиг. 7. Причем добротность контура выше, чем в схеме на фиг. 7. Сопряжение настройки контура и цепей осуществляется гораздо проще.

Основным недостатком передатчиков на фиг. 3, 5, 9 является то, что основной излучающий ток проходит через внутреннее сопротивление генератора 3. Это приводит к ненужным потерям мощности, так как мощность потерь P будет выражаться

где
R_i - внутреннее сопротивление генератора;
I - излучающий ток.

В схеме на фиг. 11 передатчика параллельного резонанса с двумя инерционными токовыми элементами, реализующего способ по п. 2, этот недостаток устранен. Здесь разомкнутая цепь 1 - 7 - 2 является излучающим контуром, а цепь 1 - 3 - 6 - возбуждающей цепью, подключенной параллельно к излучающему контуру. Регулировкой накопителя заряда 2 осуществляют подстройку диапазона рабочих частот передатчика, а одновременной регулировкой инерционных токовых элементов осуществляют настройку передатчика на рабочую частоту. На частоте резонанса входное реактивное сопротивление цепи 1 - 7 - 2 в точке подключения инерционного токового элемента 6 стремится к бесконечности. При этом в инерционном токовом элементе 6 возбуждается зарядовая волна с пучностью заряда на накопителе 2 и с узлом заряда на генераторе и накопителе 1. На накопителе 2 образуется потенциал электрического поля, в десятки раз превышающий напряжение на выходе генератора, но при этом ток в возбуждающей цепи во много раз меньше, чем излучающий ток за счет высокого входного сопротивления излучающей цепи.

Основным недостатком передатчиков и приемников на фиг. 3, 5, 7, 9, 10, 11 является то, что одним из накопителей заряда в излучающей разомкнутой электрической цепи является корпус прибора. Несмотря на то, что емкость корпуса прибора много превышает емкость излучателя, касание к ней оператора может нарушить условие резонанса. Кроме того такое конструктивное исполнение определяет необходимость работы только на электромагнитной волне, так как для зарядового излучателя необходима симметрия накопителей заряда в излучающей разомкнутой цепи.

В схеме передатчика параллельного резонанса на фиг. 12 этот недостаток устранен. Данный передатчик также реализует способ по п. 2. Здесь излучающей цепью является разомкнутая цепь 2 - 9 - 8, а возбуждающими цепями являются цепи 1- 3 - 6 и 1 - 3 - 7. Накопитель 1 является корпусом прибора. Его емкость во много раз превышает равные друг другу емкости накопителей заряда 2 и 8. Регулировкой накопителей заряда 2 и 8 осуществляют подстройку диапазона рабочих частот передатчика, а одновременной регулировкой инерционных токовых элементов 6, 7, 9 осуществляют настройку передатчика на рабочую частоту. На частоте резонанса входные реактивные сопротивления излучающей цепи в точках подключения возбуждающих цепей стремятся к бесконечности. При этом в инерционном токовом элементе 6 возбуждается зарядовая волна с пучностью заряда на накопителе 2 и с узлом заряда на генераторе 3 и накопителе 1. В инерционном токовом элементе 7 также возбуждается зарядовая волна с пучностью заряда на накопителе 8 и с узлом заряда на генераторе 3 и накопителе 1, но фаза заряда на накопителе 8 развернута относительно заряда на накопителе 2 на 180^o. На накопителях заряда 2 и 8 образуются потенциалы электрического поля, в десятки раз превышающие напряжение на выходе генератора, но при этом ток в возбуждающих цепях во много раз меньше излучающего тока за счет высокого входного сопротивления излучающей цепи. Таким образом, в передатчике на фиг. 12 созданы почти все условия для реализации зарядового излучателя.

Для реализации зарядового излучателя необходимо создать компактные накопители заряда с малыми объемами и высокой электрической емкостью, которую можно измерить с высокой точностью. Необходимо также решить проблему взаимной нейтрализации полей зарядов в дальней зоне излучения.

На фиг. 13 представлена простейшая схема зарядового излучателя, реализующего способ по п. 3. Здесь генератор 3 осуществляет обмен зарядами между накопителями зарядов 1 и 2. На накопителях формируются заряды противоположного знака, фаза которых меняется с частотой возбуждающего поля. Между накопителями зарядов введена диэлектрическая среда 10, которая либо подавляет электрическое поле зарядов на оси излучателя, либо осуществляет задержку распространения поля зарядов на время, соответствующее смене зарядов на накопителях. Таким образом, на оси излучателя поля зарядов нейтрализуют друг друга в меньшей степени. Подбором диэлектрической среды, а также соотношений размеров накопителей и длины излучателя можно добиться острой диаграммы направленности излучения.

На фиг. 14 представлена простейшая схема приемника, реализующего способ по п. 3. Здесь также разомкнутая цепь из накопителей заряда 1 и 2 и измерителя 5 заключена в среду, которая подавляет внешнее электрическое поле 3. Если диэлектрическая среда полностью подавляет внешнее электрическое поле, то между накопителями 1 и 2 образуется разность потенциалов электрического поля, равная потенциалу поля в месте приема. Таким образом, эквивалентная длина приемной цепи стремится к бесконечности, что преобразует зависимость принимаемой разности потенциалов электрического поля из обратной квадрату расстояния в обратную зависимость. При этом подбором диэлектрической среды, а также соотношений размеров накопителей и длины приемной цепи можно добиться острой диаграммы направленности.

Одним из недостатков устройств на фиг. 13 и 14 является то, что помимо зарядового излучения образуется паразитное электромагнитное излучение за счет протекания тока в разомкнутой цепи.

В схеме зарядового излучателя параллельного резонанса, реализующего способ по п. 3, этот недостаток устранен. Здесь излучающие накопители зарядов 2 и 8 находятся в диэлектрической среде 10, которая либо подавляет электрическое поле зарядов на оси излучателя, либо осуществляет задержку распространения поля зарядов на время, соответствующее смене зарядов на накопителях. Подбором диэлектрической среды, а также соотношений размеров накопителей и длины излучателя добиваются острой диаграммы направленности излучателя. Система из излучающих накопителей 2 и 8 и среды 10 заключена в подавляющую или отражающую электромагнитное поле среду 11 для того, чтобы исключить паразитное электромагнитное излучение.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования сигналов в разомкнутых электрических цепях. Осуществляют электрическое соединение уединенных проводников и возбуждают созданную разомкнутую электрическую цепь электрическим полем, уединенные проводники формируют с возможностью регулируемого накопления электрического заряда, измеряют электрическую емкость и индуктивность каждого из уединенных проводников и, изменяя величины емкостей и индуктивностей, осуществляют согласование собственной частоты колебаний разомкнутой электрической цепи с частотой возбуждающего электрического поля. Техническим результатом является уменьшение потребляемой мощности от источника питания при упрощении устройств для его реализации. 2 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ формирования сигналов в разомкнутых электрических цепях, при котором формируют уединенные проводники с возможностью регулирования величин электрических емкостей уединенных проводников, осуществляют электрическое соединение уединенных проводников, источников или приемников электрической энергии в разомкнутую электрическую цепь и возбуждают созданную разомкнутую электрическую цепь электрическим полем, отличающийся тем, что уединенные проводники формируют с целью получения необходимых величин электрических емкостей уединенных проводников, измеряют электрическую емкость и индуктивность каждого из формируемых проводников и, изменяя величины электрических емкостей уединенных проводников и индуктивностей, осуществляют резонанс всей разомкнутой электрической цепи на частоте возбуждающего электрического поля, причем обеспечивают работу разомкнутой электрической цепи в диапазоне частот, в котором величинами индуктивностей проводников, сформированных с целью получения необходимых величин электрических емкостей уединенных проводников, можно пренебречь. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют регулировку времен переноса зарядов между уединенными проводниками. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формирование уединенных проводников и их электрическое соединение осуществляют в средах, которые подавляют электрическое поле и задерживают его распространение во времени, а также подавляют и отражают электромагнитное поле.