СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ В ПЕРЕКРЕСТНЫХ РАЗОМКНУТЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ Российский патент 1999 года по МПК 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 в разомкнутые электрические цепи и возбуждают созданные разомкнутые электрические цепи электрическим полем /см. авторское свидетельство СССР 328825 H 01 Q 11 /00/1974/.

Недостатки указанного способа следующие. Не решается задача передавать и принимать электрические сигналы, зависимость которых от расстояния не хуже, чем обратная. Не решается задача передавать и принимать электрические сигналы в средах с затуханием электромагнитной волны. Не решается задача формирования токопроводящих сред с возможностью регулируемого накопления больших электрических зарядов в малых объемах. Формирование уединенных токопроводящих сред ведется без точного измерения электрической емкости и индуктивности токопроводящей среды в разомкнутой электрической цепи. Не используется возможность работы системы "разомкнутая электрическая цепь - окружающее пространство" в качестве электрического резонансного колебательного контура. Все это ведет к следующим негативным моментам:
- работа исключительно на электромагнитной волне;
- невозможность работы в средах, поглощающих электромагнитную волну;
- чрезмерное потребление мощности от источника питания;
- усложнение устройств для реализации способа.

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

Недостатки указанного способа следующие:
- работа исключительно на электромагнитной волне;
- невозможность работы в средах, поглощающих электромагнитную волну;
- 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 перекрестных разомкнутых электрических цепях. Так, на основании данного способа можно построить систему радиосвязи на электромагнитной волне, в которой зависимость принимаемого сигнала от расстояния будет не хуже, чем обратная. Можно построить системы зарядовой радиосвязи с теми же зависимостями сигнала от расстояния. Следует отметить, что системы зарядовой радиосвязи могут работать в диэлектрических средах, поглощающих электромагнитную волну. На основании данного способа можно строить передатчики, работающие на резонансный излучающий контур. При этом потребление мощности от источников питания при всех равных условиях падает по крайней мере на порядок. Можно построить приемник, антенной которого будет являться резонансный приемный контур. При этом при всех прочих равных условиях дальность приема возрастает по крайней мере на порядок. Следует отметить, что сложность электроники, реализующей предложенный способ, при всех прочих равных условиях много меньше, чем сложность электроники, реализующей известные способы.

Указанная задача решается тем, что в способе формирования электрических сигналов в перекрестных разомкнутых электрических цепях осуществляют электрические соединения уединенных токопроводящих сред в разомкнутые электрические цепи и возбуждают созданные электрические цепи электрическим полем, ориентируют созданные разомкнутые электрические цепи под углом друг к другу, осуществляют их совмещение и электрическое соединение, возбуждают электрическим полем разомкнутые электрические цепи, ориентация которых близка к ориентации возбуждающего электрического поля, а сигнал снимают с разомкнутых электрических цепей, ориентированных под углом к возбуждаемым разомкнутым электрическим цепям, при этом уединенные токопроводящие среды формируют с возможностью регулируемого накопления электрического заряда, измеряют электрическую емкость и индуктивность каждой из сформированных уединенных токопроводящих сред и осуществляют согласование собственной частоты электрических колебаний сформированной перекрестной разомкнутой электрической цепи с частотой возбуждающего поля, изменяя величины емкостей и индуктивностей.

Указанная задача решается также тем, что электрические соединения уединенных токопроводящих сред осуществляют с возможностью формирования управляемых волновых процессов переноса заряда между уединенными токопроводящими средами, при этом согласование собственной частоты электрических колебаний сформированной перекрестной разомкнутой электрической цепи с частотой возбуждающего электрического поля осуществляют с помощью регулирования времен переноса зарядов.

Указанная задача решается также тем, что совмещение и электрическое соединение разомкнутых электрических цепей осуществляют таким образом, что часть уединенных токопроводящих сред перекрестной разомкнутой электрической цепи объединяют в общую уединенную токопроводящую среду, при этом общую уединенную токопроводящую среду формируют так, чтобы ее электрическая емкость была больше электрических емкостей необъединенных уединенных токопроводящих сред.

Указанная задача решается также тем, что формирование уединенных токопроводящих сред перекрестной разомкнутой электрической цепи осуществляют в диэлектрических средах.

На фиг. 1 даже графическое изображение переменной электрической емкости уединенной токопроводящей среды /в дальнейшем накопителя заряда/, включаемой в разомкнутую электрическую цепь; на фиг. 2 представлена электрическая схема простейшей излучающей разомкнутой электрической цепи, необходимая для предварительных разъяснений способа; на фиг. 3 дана эквивалентная схема устройства на фиг. 2; на фиг. 4 представлена электрическая схема простейшей приемной разомкнутой электрической цепи, необходимая для предварительных разъяснений способа; на фиг. 5 дана эквивалентная схема устройства на фиг. 4; на фиг. 6 представлена электрическая схема излучающей резонансной разомкнутой электрической цепи, необходимая для предварительных разъяснений способа; на фиг. 7 дана эквивалентная схема устройства на фиг. 6; на фиг. 8 представлена электрическая схема приемной резонансной разомкнутой электрической цепи, необходимая для предварительных разъяснений способа; на фиг. 9 дана эквивалентная схема устройства на фиг. 8; на фиг. 10 представлена электрическая схема простейшей перекрестной разомкнутой электрической цепи, реализующей способ по пункту 1; на фиг. 11 представлена схема резонансной перекрестной разомкнутой электрической цепи, реализующей способ по пункту 1; на фиг. 12 представлена схема перекрестной разомкнутой электрической цепи, реализующей способ по пункту 2; на фиг. 13 представлен эскиз приемника, реализующего способ по пункту 3; на фиг. 15 представлен эскиз передатчика, реализующего способ по пункту 4.

Устройство на фиг. 2 состоит из уединенных токопроводящих сред /в дальнейшем накопителей заряда/ 1 и 2 и соединяющего их электрически источника электрического поля 3, причем электрические емкости накопителей заряда 1 и 2 являются переменными величинами.

Устройство на фиг. 4 состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 2, но вместо источника электрического поля 3 включен измеритель 4 и его входная электрическая емкость 5.

Устройство на фиг. 6 состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 2, но дополнительно включена индуктивность 6.

Устройство на фиг. 8 состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 6, но вместо генератора 3 включен измеритель 4.

Устройство на фиг. 10, реализующее способ по пункту 1, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 4, но дополнительно включены накопители зарядов 7 и 8.

Устройство на фиг. 11, реализующее способ по пункту 1, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 10, но вместо входной электрической емкости 5 измерителя 4 включена индуктивность 6.

Устройство на фиг. 12, реализующее способ по пункту 2, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 11, но вместо индуктивности 6 включен инерционный токовый элемент 9.

Устройство на фиг. 13, реализующее способ по пункту 3, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 12, но вместо накопителей заряда 2, 7 и 8 включен объединяющий их замкнутый корпус 10.

Устройство на фиг. 14, реализующее способ по пункту 3, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 13, но вместо измерителя 4 включен источник электрического поля 3.

Устройство на фиг. 15, реализующее способ по пункту 4, состоит из тех же элементов, что и устройство на фиг. 14, но дополнительно введена диэлектрическая среда 11.

Для описания реализации предложенного способа приведем необходимые разъяснения. Понятие "уединенная токопроводящая среда" включает в себя, например, проводник электрического тока. Если два проводника либо формы подключить к разным полюсам источника постоянного или переменного напряжения, то на каждом из проводников накопится заряд. Оба заряда равны по абсолютной величине и противоположны по знаку. Это объясняется тем, что внутри источника существует электрическое поле, которое переносит заряды с одной обкладки на другую 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 к каждому проводнику приложен потенциал 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. Так как понятие "уединенная токопроводящая среда" включает в себя проводник, то в дальнейшем данное понятие будем именовать накопителем заряда. Электрическая емкость накопителя заряда зависит от множества факторов. Например, величина емкости трубчатого проводника диаметром 9 миллиметров и длиной 600 миллиметров на частоте примерно 30 мегагерц составляет 22 пикофорады. В штыревой антенне, описанной в авторском свидетельстве СССР 626575 сделана попытка сформировать накопитель заряда с переменной электрической емкостью. Эта емкость распределена и, к тому же, здесь возникают излучающие токи, направленные под углом к основному излучающему току. Во время экспериментов по измерению емкостей различных типов накопителей заряда были выявлены некоторые 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. 1 дано графическое изображение переменной электрической емкости накопителя заряда. На фиг. 2 представлена простейшая схема излучающей электрической разомкнутой цепи. Источник электрического поля /в дальнейшем генератор/ перемещает заряд между накопителями 1 и 2. В разомкнутой цепи 1-3-2 возникает ток I, который является производной по времени перемещаемого заряда. Пусть величины электрических емкостей накопителей заряда 1 и 2 равны соответственно C1 и C2, а генератор формирует синусоидальное напряжение U, которое является разницей потенциалов на накопителях заряда U = Δϕ = ϕ1-ϕ2. 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 заряда, исходя из закона сохранения заряда, Такому распределению потенциалов соответствует падение напряжений на эквивалентной схеме фигуры 3. Таким образом, величины потенциалов на накопителях будут зависеть от соотношения величин электрических емкостей C1 и C2. Если C1>>C2, то ϕ1 = 0, а ϕ2 = Δϕ = U.
Теперь от объяснения работы простейшей разомкнутой излучающей цепи перейдем к обоснованию возможности зарядовой радиосвязи. Эксперименты показывают, что потенциал электрического поля является неразрывной функцией от расстояния. С поверхности накопителя заряда потенциал плавно переходит к некоторым своим значениям вдали от накопителя, поэтому запись распределения потенциала от расстояния в виде кулоновской формулы не соответствует действительности. Запишем функцию распределения потенциала от расстояния таким образом: ϕ = ϕ_oF(R). Здесь ϕ_o - значение потенциала на поверхности накопителя заряда, F(R) - функция изменения потенциала от расстояния. Для разомкнутой излучающей цепи, когда оба накопителя находятся на одном расстоянии от точки измерения, результирующая функция потенциала в упрощенной форме и в абсолютных значениях запишется как ϕ = (ϕ2)F(R)-(ϕ1)F(R). Таким образом, только в случае равенства потенциалов (ϕ1) = (ϕ2) общий потенциал быстро затухает с увеличением расстояния. Равенство потенциалов является следствием равенства величин электрических емкостей накопителей заряда, что и показывают многочисленные эксперименты с излучающими разомкнутыми цепями.

На фиг. 4 представлена простейшая приемная разомкнутая цепь, которой соответствует эквивалентная схема на фиг. 5. Здесь 1 и 2 - те же накопители заряда, что и на фиг. 2, 3 - внешнее электрическое поле, которое соответствует генератору 3 на фиг. 2, 4 - измеритель, 5 - входная электрическая емкость измерителя 4. Условимся, что внутреннее сопротивление источника внешнего поля равно нулю, а внутреннее сопротивление измерителя 4 стремится к бесконечности. Внешнее поле 3 на накопителях заряда 1 и 2 обладает потенциалами ϕ1 и ϕ2 соответственно, поэтому напряжение генератора 3 на фиг. 5 будет равно U = Δϕ = ϕ1-ϕ2. Падение напряжения на входе измерителя 4 будет равно где U₄ - падение напряжения на входе измерителя, C1, C2, C5 - соответственно значения электрических емкостей накопителей заряда 1 и 2 и величина входной емкости измерителя 4.

Продолжим необходимые предварительные разъяснения описанием работы резонансных разомкнутых электрических цепей. На фиг. 6 представлена излучающая параллельная резонансная разомкнутая электрическая цепь, а на фиг. 7 - ее эквивалентная схема. Генератор 3 нагружен на параллельный излучающий резонансный контур. При высоких излучающих токах в контуре ток, потребляемый от генератора, будет зависеть от добротности системы "излучающая резонансная разомкнутая цепь - окружающее пространство". Эксперименты показывают, что величина добротности подобной системы 30 и выше, поэтому представляется возможным снизить потребление мощности от источников питания по крайней мере на порядок. Эксперименты также показывают, что с приближением частоты генератора к собственной частоте электрических колебаний излучающей резонансной разомкнутой электрической цепи величина принимаемого сигнала возрастает, что подтверждает данные выше оценки. На фигурах 8 и 9 даны приемная разомкнутая резонансная электрическая цепь последовательного резонанса и ее эквивалентная схема. Условимся, что внутреннее сопротивление внешнего поля 3 равно нулю, а реактивное и активное сопротивления измерителя 4 стремятся к бесконечности. В условиях резонанса величина напряжения на входе измерителя 4 будет записана как

где L - величина индуктивности 6;
U₄ - напряжение на входе измерителя;
ϕ1 и ϕ2 - потенциалы внешнего поля на накопителях заряда 1 и 2,
ω - угловая частота резонанса;
r - активное сопротивление резонансной разомкнутой электрической цепи.

Видно, что сигнал сдвинут по фазе относительно внешнего поля, но также видно, что величина принимаемого сигнала многократно возрастает по сравнению со схемой на фиг. 4. Необходимо обратить внимание, что резонансные разомкнутые электрические цепи являются фильтрами частот. Это, во первых, уменьшает шумы, а во вторых, упрощает используемую электронную аппаратуру. В описываемых выше устройствах принимаемый сигнал пропорционален разности потенциалов внешнего электрического поля. Это ведет к обратноквадратичной зависимости принимаемого сигнала от расстояния. Предлагаемый способ формирования сигнал в перекрестных разомкнутых электрических цепях позволяет получать обратные зависимости сигнала от расстояния.

На фиг. 10 представлена простейшая приемная перекрестная разомкнутая электрическая цепь, реализующая способ по пункту 1. Наиболее эффективны разомкнутые электрические цепи, направленные под углом 90^o друг к другу - ортогональные разомкнутые электрические цепи, поэтому в дальнейшем будем рассматривать именно их. Работа устройства происходит следующим образом. Приемная разомкнутая электрическая цепь 7 и 8 направлена вдоль внешнего электрического поля. На накопителях заряда 7 и 8 этой цепи индуцируются распределенные заряды разного знака, поле которых совместно с внешним электрическим полем воздействует на физический вакуум между накопителями заряда 7 и 8. Реакцией физического вакуума на это воздействие является появление ортогональной составляющей электрического поля к внешнему электрическому полю. Потенциал ортогональной составляющей электрического поля между накопителями 7 и 8 предположительно равен потенциалу внешнего поля между теми же накопителями. Эксперименты показывают, что наиболее быстрое уменьшение электрического поля с расстоянием происходит вблизи от источника электрического поля. Поэтому, если измерительную разомкнутую электрическую цепь 1, 5, 2, 4 расположить так, что, например, накопитель заряда 2 будет находиться вблизи от эпицентра реакции физического вакуума, а накопитель 1 в относительной дали, то на измерительную разомкнутую цепь 1, 5, 2, 4 будет действовать разность потенциалов поля реакции физического вакуума пропорциональная потенциалу внешнего поля между накопителями 7 и 8. И соответственно сигнал на входе измерителя 4 можно записать как U₄= γϕ. Здесь U₄ - напряжение на входе измерителя 4, ϕ - коэффициент пропорциональности, а ϕ - потенциал внешнего электрического поля между накопителями 7 и 8. Необходимо добавить, что измерительная разомкнутая цепь 1, 5, 2, 4 соответствует цепи на фиг. 4.

На фиг. 11 представлена резонансная перекрестная /ортогональная/ разомкнутая электрическая цепь, реализующая способ по п. 1. Устройство на фиг. 11 работает почти также, как и устройство на фиг. 10, но в качестве измерительной цепи используется резонансная разомкнутая электрическая цепь 1, 2, 6, 4. Она соответствует цепи на фиг. 8. Если соблюдено условие, что активное и реактивное входные сопротивления измерителя 4 стремятся к бесконечности, то величина сигнала на входе измерителя будет записана как

где ω - угловая частота резонанса;
L - величина индуктивности 6;
γ - коэффициент пропорциональности;
ϕ - потенциал внешнего электрического поля между накопителями 7 и 8;
r - величина активного сопротивления цепи 1, 2, 6, 4.

Видно, что величина принимаемого сигнала многократно возрастает по сравнению с величиной принимаемого сигнала в устройстве на фиг. 10.

Схемы на фигурах 6, 8 и 11 обладают относительно узким диапазоном перестройки электрических емкостей накопителей заряда 1 и 2, а также конструктивной трудностью одновременной настройки накопителей заряда и цепей возбуждения и измерения. Последний недостаток устраняется включением в схемы вместо индуктивности 6 инерционного токового элемента 9, который, являясь двухполюсником, осуществляет задержку переноса заряда между накопителями. Стрелки на графическом изображении инерционного токового элемента обозначают возможность регулирования по времени τ переноса заряда, и в том числе по скорости V переноса.

На фиг. 12 представлена схема перекрестной /ортогональной/ резонансной разомкнутой электрической цепи, реализующей способ по пункту 2. Работа устройства происходит следующим образом. При совпадении времени полного переноса заряда в двухполюснике 9 с периодом внешнего электрического поля в инерционном токовом элементе 9 устанавливается стоячая зарядовая волна, что позволяет говорить о волновом процессе переноса заряда. Установление стоячей зарядовой волны соответствует резонансу в разомкнутой электрической цепи 1, 9, 2, 4. Время полного переноса заряда в инерционном токовом элементе 9 мы можем регулировать тремя способами: изменением длины проводника, используемого в инерционном токовом элементе; изменением величины переносимого заряда; регулировкой скорости переноса заряда. Сказанное выше позволяет говорить об управляемом процессе переноса заряда. Применение инерционного токового элемента позволяет легко производить настройку резонансной цепи 1, 9, 2, 4 совместно с настройкой приемного тракта измерителя 4, а также повысить добротность резонансного контура.

Устройства на фигурах 10, 11 и 12 не полностью используют электрическое поле реакции физического вакуума и обладают относительно сложной конструкцией.

На фиг. 13 представлен эскиз приемника, реализующего способ по пункту 3. Здесь накопители заряда 7, 8 и 2 объединены в замкнутом корпусе 10. Условно стенки корпуса являются накопителями заряда 2, 7 и 8. В таком варианте конструкции полностью используется электрическое поле реакции физического вакуума. К тому же, такая конструкция предельно проста и позволяет унифицировать приемную и передающую части системы радиосвязи.

На фиг. 14 представлен эскиз передатчика, реализующий способ по пункту 3. Разница между приемником и передатчиком состоит лишь в том, что вместо измерителя 4 включен генератор 3. Предлагаемое на фиг. 14 устройство полностью реализует преимущества схемы на фиг. 6. Если величина электрической емкости корпуса 10 /2, 7, 8/ будет больше величины электрической емкости накопителя заряда 1, то оба устройства могут быть использованы в системах зарядовой радиосвязи. В экспериментах, проведенных с устройствами на фигурах 13 и 14 были получены зависимости сигнала от расстояния даже лучше, чем обратная зависимость.

В описании предыдущих устройств не рассматривался вопрос об улучшении направленности излучения передатчиков за счет применения диэлектрических сред. На фиг. 15 представлен эскиз передатчика с улучшенной направленностью зарядового излучения, реализующего способ по пункту 4. Здесь часть накопителя заряда 1 помещена в диэлектрическую среду 11. Создается множество цепочек из ориентированных вдоль поля зарядовых диполей среды 11. Это улучшает направленность электрического поля вдоль оси накопителя заряда 1 и диэлектрической среды 11. Эксперименты показывают, что если использовать подобный принцип для излучателя, представленного на фиг. 6, то даже при равенстве емкостей накопителей заряда 1 и 2 сохраняется неплохая направленность зарядового излучения. Следует отметить, что если поместить накопитель заряда в диэлектрическую среду, то его реактивные параметры меняются. Если поместить передатчик зарядового излучателя в водную среду, то электрические емкости его накопителей заряда увеличатся, а активные сопротивления разомкнутых цепей возрастут за счет подавления электромагнитной волны в воде. Но при соблюдении некоторых условий зарядовая связь даже улучшается за счет диэлектрической структуры воды.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам формирования сигналов в перекрестных разомкнутых электрических цепях. Сущность изобретения: осуществляют электрические соединения уединенных токопроводящих сред в разомкнутые электрические цепи и возбуждают созданные электрические цепи электрическим полем, ориентируют созданные разомкнутые электрические цепи под углом друг к другу, осуществляют электрическим полем разомкнутые электрические цепи, ориентация которых близка к ориентации возбуждающего электрического поля, а сигнал снимают с разомкнутых электрических цепей, ориентированных под углом к возбуждаемым разомкнутым электрическим цепям, при этом уединенные токопроводящие среды формируют с возможностью регулируемого накопления электрического заряда, измеряют электрическую емкость и индуктивность каждой из сформированных уединенных токопроводящих сред и осуществляют согласование собственной частоты электрических колебаний сформированной перекрестной разомкнутой электрической цепи с частотой возбуждающего поля, изменяя величины емкостей и индуктивностей. Техническим результатом изобретения является уменьшение величины потребляемой мощности от источников питания. 3 з.п.ф-лы, 15 ил.

1. Способ формирования сигналов в перекрестных разомкнутых электрических цепях, при котором формируют уединенные проводники с возможностью регулирования величин электрических емкостей уединенных проводников, осуществляют их электрические соединения в разомкнутые электрические цепи в виде электрических диполей, одна из которых является пассивной электрической цепью, отличающийся тем, что ориентируют созданные разомкнутые электрические цепи под углом одна к другой, осуществляют их совмещение, возбуждают электрическим полем пассивную разомкнутую электрическую цепь таким образом, чтобы на сформированных проводниках этой цепи индуцировались электрические заряды разного знака, а сигнал снимают с разомкнутой электрической цепи, ориентируемой под углом к возбуждаемой разомкнутой электрической цепи, при этом измеряют электрическую емкость и индуктивность каждого из формируемых проводников и, изменяя величины электрических емкостей сформированных проводников и индуктивностей, осуществляют резонанс созданной перекрестной разомкнутой электрической цепи на частоте возбуждающего поля. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что резонанс созданной перекрестной разомкнутой электрической цепи осуществляют с помощью регулирования времен переноса электрических зарядов между сформированными проводниками. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что совмещение разомкнутых электрических цепей осуществляют таким образом, что часть уединенных проводников объединяют в общий уединенный проводник, электрическая емкость которого больше емкостей необъединенных уединенных проводников. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование уединенных проводников осуществляют в диэлектрических средах.