СПОСОБ ВВОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ Российский патент 1999 года по МПК H04B10/00 H01P5/00 

Изобретение относится к электротехнике и электронике, точнее к способам и системам питания или распределения электрической энергии и передачи сигналов с помощью электромагнитных волн, и может быть использовано для ввода электрического сигнала (тока питания или информационного сигнала) в электрические цепи, преимущественно, в микросхемы.

Известен способ ввода электрического сигнала в электрические цепи, включающий подвод электрического сигнала непосредственно к соответствующим контактам цепи и ее элементов (Вольдек А.И. Электрические машины, Л., 1974).

Недостаток этого технического решения в том, что в электрических цепях требуется соединять схемы и элементы посредством электрических контактов, что снижает надежность работы электрических цепей.

Известен также способ ввода электрического сигнала в электрические цепи, включающий преобразование электрического сигнала в магнитное поле с последующим преобразованием его в электрический сигнал во входных цепях. Такой принцип ввода электрического сигнала реализуется всеми типами электрических трансформаторов, как низко- , так и высоко- и сверхвысокочастотными (Петров Г.Н. Электрические машины, 3-е изд. М., 1974).

Однако это решение не свободно от недостатков, большинство которых вытекает из необходимости использования электрических контактов, что снижает надежность работы электрических цепей, ограничивает полосы частот вводимого сигнала. При этом в СВЧ-трансформаторах требуется наличие сопротивления для создания неоднородностей электромагнитного поля (штырей, диафрагм, стыков радиоволноводов с разными сечениями и других устройств), что снижает рабочую частоту передаваемых частот и уменьшает объем передаваемой информации. Кроме того, в электронике наличие контактных элементов препятствует процессу дальнейшей микроминиатюризации электронных схем.

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в повышении надежности работы электрических цепей.

Технический результат, получаемый при решении названной задачи, выражается в обеспечении надежности работы электрических цепей, особенно электронных схем за счет "бесконтактного" режима ввода электрических сигналов. Кроме того, устраняются ограничения на дальнейшую микроминиатюризацию электронных схем.

Для решения поставленной задачи способ ввода электрического сигнала в электрические цепи, включающий преобразование электрического сигнала в магнитное поле с последующим преобразованием его в электрический сигнал во входных цепях, отличается тем, что электрический сигнал преобразуют в бегущую электромагнитную волну, поляризуют эту волну так, чтобы угол между вектором магнитного поля и нормалью к поверхности проводника отличался от π/2 , излучают поляризованную волну на элемент электрической цепи, выполненный из проводящего материала, при этом, в качестве электрического сигнала, подаваемого на входные или функциональные узлы электрической цепи, используют вихревые токи, возникающие в скин-слое элемента электрической цепи, выполненного из проводящего материала.

Сопоставительный анализ признаков заявленного и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи:
Признак "электрический сигнал преобразуют в бегущую электромагнитную волну" исключает необходимость в устройстве каналов для перемещения электрического сигнала, поскольку в данном случае электромагнитная волна используется в качестве "носителя- транспортировщика" этого сигнала.

Признак "поляризуют эту волну так, чтобы угол между вектором магнитного поля и нормалью к поверхности проводника отличался от π/2″ обеспечивает бегущей электромагнитной волне возможность возбуждать вихревые токи в проводнике.

Признаки "излучают поляризованную волну на элемент электрической цепи, выполненный из проводящего материала", обеспечивают возможность использования вихревых токов, возникающих при взаимодействии этого проводника с электромагнитным излучением для возбуждения вторичных магнитных полей и тем самым перемещения электрического сигнала от зоны, подвергнутой воздействию электромагнитной волны ко входным или функциональным узлам электрической схемы.

Признак "в качестве электрического сигнала, подаваемого на входные или функциональные узлы электрической цепи, используют вихревые токи, возникающие в скин-слое элемента электрической цепи, выполненного из проводящего материала" конкретизирует место отбора электрического сигнала из зоны, подвергнутой воздействию электромагнитной волны.

В основе способа лежат следующие положения.

Известны способы ввода информации, разработанные в интегральной электронике, оптоэлектронике и функциональной электронике. При этом, идеи использования электромагнитных волн оптического диапазона на основе некогерентных или когерентных источников для обработки и передачи информации реализованы и широко применяются. Для преобразования световых сигналов в электрические широко применяются фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и др.

Электронно-лучевые приборы преобразовывают электрические сигналы в видимое изображение.

Используемые в оптоэлектронике лазеры, светоизлучающие диоды и волоконная оптика позволяют реализовать преимущества оптической связи и преобразования сигналов по сравнению с электрическими методами связи и преобразования сигналов.

Преобразование сигналов в оптронике осуществляется параметрическим методом. Основной структурный элемент оптроники - оптрон состоит из излучателя света (светоизлучающий диод), световод (стекло, клей, воздух и т.п.), фотоприемник (фотодиод, фототиристор и т.п.), которые конструктивно объединены в один корпус (Свечников С.В. Элементы оптоэлектроники. М., 1971).

Принципы работы приборов оптоэлектроники основаны на том фундаментальном факте, что электрически нейтральные фотоны не возбуждаются электрическими и магнитными полями, сопутствующими протеканию электрического тока и наоборот. Передача информации с помощью светового луча не сопровождаются накоплением и рассеиванием электромагнитной энергии в проводниках электрической схемы.

Однако электромагнитные волны при определенной ориентации вектора магнитного поля (изменяющегося во времени), относительно поверхности проводника по законам электродинамики должны возбуждать вихревые токи. Разумеется, эта область преобразования волны в вихревой ток ограничена малым слоем, прилегающим к облучаемой поверхности проводника, толщина которого лежит в пределах длины волны в металле (скин-слой).

Основная цель устройств, реализующих способ бесконтактного ввода информации или постоянного напряжения в проводнике, состоит в создании оптимальных условий для преобразования энергии электромагнитного поля произвольной длины волны (от γ-излучения до радиоволны), излучаемой на проводник.

Принципиально, любое изменение магнитного поля в проводнике во времени (в том числе и в электромагнитной волне) создает электрический ток. Сам характер (траектория движения электронов, скорость и плотность электронов и т. п.) зависит от угла пересечения силовых линий магнитных составляющих волны с проводником, а также физических параметров проводника (проводимости, толщины проводящего слоя, параметров согласующих слоев и др.).

Если эти параметры выбрать оптимальным образом (частоту изменения электромагнитной волны, угол ввода электромагнитной волны, поляризацию волны, физические параметры схемы и проводника), то коэффициент полезного действия преобразования волны - ток η_в=т может быть приемлемым для практического применения

где - модуль вектора Умова-Пойтинга плотность потока мощности электрического тока через условный контур;
j_n - плотность электрического тока через контур;
ΔU - приращение электрического напряжения индуцируемого тока;
С = 3•10⁸ м/с - скорость перемещения электрической волны в вакууме.

Математический аппарат, описывающий процесс распространения электромагнитных волн и их взаимодействия с током проводников, подчиняется классическим законам и здесь не приводится.

Рассмотрим качественно-физическую картину в скин-слое (слое эффективного проникновения электромагнитной волны в металл).

Предположим, что наружную поверхность металла S = М х L пронизывает вектор магнитной составляющей электромагнитной волны , ориентированный перпендикулярно поверхности . В глубине проводника, за счет изменения во времени, по законам Фарадея индуцируется ток с количественными параметрами, пропорциональными вихревым токам (токам Фуко).

Объем взаимодействия электромагнитной волны (W_I = М х L•l) ограничен площадью S взаимодействия волны потока и толщиной скин-слоя l = λ_м, где λ_м - длина электромагнитной волны в металле. Индуцируемый ток j_I в области I пропорционален где α - коэффициент пропорциональности; В - индукция магнитного поля. Ток j_I создает вторичное магнитное поле H_II : rot H_II= (4πj_I+dD₁/dt)/C, здесь D - электрическая индукция.

Вторичное магнитное поле соответственно создает в окружающем пространстве токи проводимости, в том числе и в проводнике в области II, т.е. ток , который, в свою очередь, создает поле , создающее ток в области III и так далее, до передачи вихревых токов до соответствующих элементов (узлов) электрической цепи (электронной схемы).

Сигнал по проводнику передается со скоростью V_r, близкой к скорости электромагнитной волны, распространяющейся на границе "проводник-диэлектрик".

Амплитуда и фаза передаваемого тока содержит информационный код исходного сигнала, введенного в электромагнитную волну путем модуляции.

На фиг. 1 показана схема взаимодействия бегущей электромагнитной волны с поверхностью проводника; на фиг. 2. приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, при использовании лазера в качестве генератора электромагнитной волны.

На чертежах показаны блок передачи электрических сигналов 1, модулятор электромагнитных волн 2, генератор электромагнитных волн 3, волновод 4, поляризатор электромагнитных волн 5, входной элемент 6 электрической схемы 7, скин-слой 8.

Конструктивное исполнение устройства, обеспечивающего реализацию заявленного способа, раскрывается для случая, когда в качестве генератора электромагнитных волн 3 предполагается использование лазера, например твердотельного лазера непрерывного действия на флюорите кальция CaF₂ с примесью диспрозия Dy или на иттриево-алюминиевом гранате Y₃Al₅O₁₂ с примесью редкоземельных атомов (длины волн от 1 до 3 мкм).

В качестве блока передачи электрических сигналов 1 может использоваться любой усилитель электрических сигналов, собранный по стандартной схеме.

В качестве модулятора электромагнитных волн 2 может использоваться пьезокерамический пьезопреобразователь, с зеркально отражающей свет поверхностью, работающий на изгибных колебаниях, или модулятор на основе интерферометра Фабри-Перо, заполненный электрооптической средой.

Волновод 4 используется в том случае, когда электромагнитные волны передаются по специально сформированному для них каналу (например, при использовании лазера в качестве генератора электромагнитных волн 3, волновод 4 может быть выполнен в виде световолоконного кабеля известной конструкции). При передаче электромагнитной волны по воздуху или свободному пространству блок 4 может быть исключен из схемы.

В качестве поляризатора электромагнитных волн 5 может применяться любое устройство, используемое для конкретного диапазона электромагнитных волн, удовлетворяющее заданным массо-габаритным и энергетическим параметрам, например, устройство, содержащее два диэлектрика с границей раздела между ними, образованной параллельными поверхностями, на которую падает световая волна под углом Д.Брюстера ϕ = arcsin n sin r, где r - угол преломления, n - показатель преломления двух диэлектрических сред.

Входной элемент 6 электрической схемы выполнен из материала, обладающего свойствами проводника, при этом в качестве элемента 6 может использоваться металлическая подложка микросхемы (электрической схемы 7) и т.п. Поскольку, в качестве генератора электромагнитных волн 3 используется лазер, у которого луч поляризован, целесообразно входные элементы 6 и сами электрические схемы изготавливать по технологии материалов, используемых для создания фото или светодиодов. Например, полупроводниковый кристалл, обладающий электронно-дырочным переходом (p - n переходом), работающий в вентильном режиме для создания фото ЭДС (для диапазонов волн 0,4 - 2,0 мкм - Ge, для диапазонов волн 0,1 - 1,2 мкм - Si и т.д.).

Заявленный способ осуществляется в следующем порядке.

Посредством блока передачи электрических сигналов 1 формируют электрический сигнал (энергетический или информационный, используемый в работе электрической цепи (электронной схемы 7), который передают в модулятор электромагнитных волн 2, обеспечивающий модуляцию электромагнитных волн, генерируемых генератором электромагнитных волн 3 в соответствии с электрическим сигналом.

Модулированная электромагнитная волна передается в поляризатор 5, где поляризуется под углом, оптимальным для ввода во входной элемент 6 электрической схемы 7 (т.е. таким углом к рабочей поверхности элемента 6, при котором достигается максимальный КПД преобразования "электромагнитные волны-ток" η_в=т.

При взаимодействии электромагнитной волны с входным элементом 6 электрической схемы 7, выполненным из материала, обладающего свойствами проводника, в глубине этого элемента (за счет изменения во времени вектора магнитной составляющей электромагнитной волны , ориентированного перпендикулярно поверхности входного элемента 6), по законам Фарадея индуцируется ток с количественными параметрами, пропорциональными вихревым токам (токам Фуко).

Объем взаимодействия электромагнитной волны (W_I = М х L•l) ограничен площадью S взаимодействия волны потока и толщиной скин-слоя 8 -l = λ_м, где λ_м - длина электромагнитной волны в металле. Индуцируемый ток j_I в области I пропорционален и направлен в противоположную сторону, согласно правилу Ленца, здесь α - коэффициент пропорциональности; В - индукция магнитного поля. Ток j_I создает вторичное магнитное поле H_II: rot H_II= (4πj_I+dD₁/dt)/C, здесь D - электрическая индукция.

Вторичное магнитное поле соответственно создает в окружающем пространстве токи проводимости, в том числе и в проводнике в области II, т. е. ток , который, в свою очередь, создает поле , создающее ток в области III и так далее, до передачи вихревых токов до соответствующих элементов (узлов) электрической цепи 7 (электронной схемы). В случае изотропных сред, уравнения состояния имеют линейную форму: (здесь σ - удельная электропроводность проводника; j_стор.i - плотность сторонних.

Сигнал по проводнику передается со скоростью V_r, близкой к скорости электромагнитной волны, распространяющейся на границе "проводник-диэлектрик".

Амплитуда и фаза передаваемого тока содержит информационный код исходного сигнала, введенного в электромагнитную волну.

Подобная схема может быть реализована без дополнительных технологических исследований на современной элементной базе развитой технологии построения микросхем.

Сущность изобретения: способ ввода электрического сигнала в электрические цепи включает преобразование электрического сигнала в бегущую электромагнитную волну, поляризуют эту волну так, чтобы угол между вектором магнитного поля и нормалью к поверхности проводника отличался от π/2, излучают поляризованную волну на элемент электрической цепи, выполненный из проводящего материала, при этом в качестве электрического сигнала, подаваемого на входные или функциональные узлы электрической цепи, используют вихревые токи, возникающие в скин-слое элемента электрической цепи, выполненного из проводящего материала. Технический результат заключается в повышении надежности работы электрических цепей. 2 ил.

Способ ввода электрического сигнала в электрические цепи, включающий преобразование электрического сигнала в магнитное поле с последующим преобразованием его в электрический сигнал во входных цепях, отличающийся тем, что электрический сигнал преобразуют в бегущую электромагнитную волну, поляризуют эту волну так, чтобы угол между вектором магнитного поля и нормалью к поверхности проводника отличался от π/2, излучают поляризованную волну на элемент электрической цепи, выполненный из проводящего материала, при этом в качестве электрического сигнала, подаваемого на входные или функциональные узлы электрической цепи, используют вихревые токи, возникающие в скин-слое элемента электрической цепи, выполненного из проводящего материала.