СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ, ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК H04W8/00 

Предлагаемое изобретение относится к области передачи приема информации с применением магнитоэлектрических волн и может быть использовано при разработке и создании наземных, спутниковых радиолиний, обеспечивающее высокий энергетический потенциал, высокую скорость передачи информации и ее информационную безопасность, помехозащищенность.

Радиолинии - совокупность технических средств и среды распространения радиосигналов с целью передачи, приема информации (ППИ) между наземными пунктами (НП), между НП и космическими аппаратами (КА), между несколькими НП через КА и т.д.

Известен способ (прототип) беспроводной ППИ на расстояние с применением электромагнитных волн, при котором (Н.И. Овчинников. Основы радиотехники. Изд-ство Мин. обороны СССР, М.: - 1968, с.8) изначально током электрических колебаний в форме информации модулируют высокочастотные колебания задающего генератора, усиливают их, преобразуют возбуждение в электрической антенне высокочастотные электрические колебания в свободные электромагнитные волны путем излучения их в определенные направления, а на приемном конце производят обратное преобразование, при котором электромагнитные волны, возбуждаемые в электрической антенне, преобразуют в высокочастотные электрические колебания в форме информации, усиливают их, извлекают низкочастотные электрические колебания в форме информации путем детсобирования, усиливают их и преобразуют в информацию.

Основные недостатки известного способа - низкий энергетический потенциал радиолиний и, как следствие, низкая скорость передачи информации, низкая помехозащищенность и информационная безопасность, а также зависимость линейных размеров электрических антенн от используемого диапазона длин волн (диапазона частот).

Изложенные недостатки радиолиний (информационных каналов) типичны для всех наземных, спутниковых и т.д. радиолиний радиотехнических систем, поскольку в них, в отличие от проводных (кабельных), демаскирующие признаки доминируют не в топологической, а в информационно-сигнальной зоне. Поэтому обеспечение высокого энергетического потенциала, высокой скорости передачи информации, помехозащищенности информационной безопасности требует немалых комплексных затрат, которые необходимо соизмерить с платой за риск в условиях расширенного применения технологий 21 века.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка принципиально нового беспроводного способа передачи приема информации в любом диапазоне длин волн (в любом частотном диапазоне), использующего магнитоэлектрические волны и магнитные рамочные антенны.

Указанная задача достигается за счет того, что передачу, прием информации осуществляют посредством магнитоэлектрических волн, при этом преобразуют возбуждаемые высокочастотные электрические колебания в магнитной рамочной антенне в форме кольца из ферромагнетика, на поверхности которого размещена фазовая обмотка, в свободные магнитноэлектрические волны, путем излучения их в определенные направления, а на приемном конце производят обратное преобразование, при котором магнитноэлектрические волны, возбуждаемые в магнитной рамочной антенне в форме кольца из ферромагнетика, на поверхности которого размещена фазовая обмотка, преобразуют в электрические колебания в форме информации путем демодуляции, усиливают их и преобразуют информационные электрические колебания в информацию, а также тем, что электрическими колебаниями в форме информации модулируют электрические колебания задающего генератора с использованием широтноимпульсной модуляции, заполняя периоды модулируемых электрических колебаний прямоугольными подимпульсами, а на приемном конце производят демодуляцию, усиливают и преобразуют информационные электрические колебания в информацию.

Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что простые, предельнокомпактные, сверхширокополосные, с высоким значением коэффициента полезного действия приемно-передающие магнитные антенны с вращающейся поляризацией, излучающие и принимающие магнитноэлектрические волны, обеспечат высокий энергетический потенциал, высокую скорость передачи информации и ее информационную безопасность, помехозащищенность в спутниковых и наземных радиолиниях.

Физическая сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Согласно первому уравнению Максвелла изменение электрической составляющей связанного поля вызывает в данной точке и ее окрестностях переменное магнитное поле.

,

где - плотность тока смещения; δ - плотность электрического тока.

Изменение магнитной составляющей связанного поля вызывает в той же точке и ее окрестностях переменное электрическое поле. Вновь образованные поля уже свободные, они непрерывно изменяются во времени и благодаря этому распространяются в пространстве со скоростью света, образуя электромагнитные волны. Электромагнитные поля считаются свободными тогда, когда они не связаны с зарядами излучателя. Основные принципы теории Максвелла были экспериментально доказаны Герцем в 1888 г.

С физической точки зрения, введенная Максвеллом плотность тока смещения приводит к возможности существования наряду с электромагнитной индукцией симметричного явления - магнитоэлектрической индукции [А.А. Кураев, Т.Л. Попкова, А.К. Синицын. Электродинамика и распространение радиоволны, Минск "Новое знание", 2013, М.: "ИНФА - М"], открытого на основе опыта М. Фарадея в 1831 году.

при

Таким образом, экспериментально была доказана взаимная связь электрических полей с магнитными полями и наоборот: магнитных полей с электрическими, т.е. изменение одного из них вызывает в окружающем пространстве появление другого. [Г.Б. Белоцерковский. Основы радиотехники и антенны. Часть 1. М.: Советское радио, 1968]. Следовательно, для организации радиолиний с целью передачи приема информации можно использовать как электромагнитные волны и соответственно электрические антенны, так магнитоэлектрические волны и соответственно магнитные антенны.

Теория Максвелла позволяет установить физическую сущность образования электромагнитных и магнитоэлектрических волн. Если к вибратору (проволочной антенне) приложено переменное напряжение определенной частоты, то в окрестностях вибратора изначально возбуждается переменное электрическое поле той же частоты. Следовательно, вибратор - электрическая антенна, создающая электрические поля, геометрические и электрические характеристики которой определяются частотой запитывающего напряжения, тока.

То есть изначально электрической антенной создается переменное электрическое поле, которое затем вызывает магнитное поле. Эти поля, связанные: они появляются и исчезают вместе с током вибратора. Поскольку электромагнитное поле вибратора переменное, то по первому уравнению Максвелла изменение электрической составляющей связанного поля вызывает в данной точке и ее окрестностях переменное электрическое поле, а по второму уравнению Максвелла изменение магнитной составляющей связанного поля вызывает в этой точке и ее окрестностях переменное электрическое поле. В соответствии с третьим уравнением Максвелла обе составляющие имеют вихревой характер и изображаются замкнутыми силовыми линиями. Четвертое уравнение Максвелла подтверждает отсутствие зарядов и одновременно постулирует его справедливость для любой среды. Следовательно, связанные поля по совокупности, беря во внимание, что изначально электрические поля электрической антенны, возбуждаемые электрическими колебаниями, называются электромагнитными.

Теперь возьмем постоянный магнит. Каждый магнит имеет два полюса: северный и южный. По отдельности магнитные полюса не существуют. Между магнитными полюсами существует магнитное поле. При вращении постоянного магнита относительно оси симметрии, вокруг вращающегося магнита создается вращающееся переменное магнитное поле. Следовательно, вращающийся постоянный магнит - магнитная антенна, в окрестностях которой существует переменное магнитное поле определенной частоты, определяемой только угловой скоростью вращения магнита.

В отличие от электрической антенны в данном случае магнитная антенна напряжением (током) непосредственно той частоты, которую мы хотим использовать в радиолинии, не запитывается. По второму уравнению Максвелла изменение магнитного поля вызывает в окрестностях магнитной антенны электрическое переменное поле. Переменное электрическое поле порождает магнитное поле точно так же, как обычный ток.

Из вышеизложенного видно, что физическая сущность свободных электромагнитных и магнитоэлектрических волн, возбуждаемых в физическом вакууме, с использованием как электрических, так и магнитных антенн одна и та же. Разница лишь в том, что в первом случае электромагнитные волны (поле) изначально возбуждаются электрическими колебаниями с применением электрических антенн, а во втором случае электромагнитные волны (поле) изначально возбуждаются магнитными колебаниями с применением магнитных антенн. Авторы во втором случае назвали электромагнитные волны магнитоэлектрическими.

Магнитная антенна (магнитный излучатель), как элемент магнитного тока, не может быть осуществлена, поскольку в природе нет магнитного тока. Но если антенной-излучателем изначально создается переменное магнитное поле, то по первому уравнению Максвелла изменение магнитного поля вызывает электрическое поле. Но эти поля уже не связанные, а свободные, поскольку они не связаны с какими-то зарядами, токами. То есть можно создать антенну, реализовав в ней свойства элемента магнитного тока.

До настоящего времени человечество применяет только электрические антенны и не применяет магнитные антенны, хотя природа (физика) распространения электромагнитных и магнитоэлектрических волн идентична. Разные только технологии возбуждения электромагнитных и магнитоэлектрических волн.

Исходя из вышеизложенных определений, магнитные антенны не могут эффективно излучать, принимать изначально возбужденные электромагнитные волны, а электрические антенны не могут эффективно излучать, принимать изначально возбужденные магнитоэлектрические волны.

В радиолиниях радиотехнических систем антенны выполняют специальную функцию, связывая излученную в пространстве электромагнитную энергию с электронными компонентами аппаратуры. Поэтому следует подчеркнуть, что антенны являются одними из основных экономических и технических элементов, определяющим построение радиолиний информационных радиотехнических систем.

Способность магнитных антенн принимать, излучать магнитоэлектрические волны позволяет эффективно организовать и обеспечить в современных наземных и спутниковых информационных каналах защищенность информации, селективный доступ.

В основу принципа работы магнитной антенны положено использование вращающегося переменного магнитного поля, которое индуцирует в окружающем ее пространстве переменное электрическое поле. Принцип работы основан на законе магнитоэлектрической индукции, открытом М. Фарадеем, и работах Д. Максвелла.

В явлении магнитоэлектрической индукции Максвелл увидел факт порождения вихревого электрического поля переменным магнитным полем. Далее Максвелл в открытии основных свойств магнитоэлектрического поля поставил вопрос: если переменное магнитное поле порождает электрическое, то не существует ли в природе обратного процесса, когда переменное электрическое поле в свою очередь порождает магнитное.

Максвелл допустил, что такого рода процесс реально происходит в природе: во всех случаях, когда электрическое поле изменяется, оно порождает магнитное поле. Никаких прямых указаний со стороны эксперимента в пользу этой гипотезы в то время еще не было. Впоследствии справедливость этой гипотезы была доказана открытием электромагнитных волн, сама возможность существования которых полностью вытекает из данной гипотезы и симметричного явления электромагнитной индукции. Взаимовозбуждение переменных электрического и магнитного полей и образуют соответствующие процессы электромагнитного и магнитоэлектрического полей.

В первом случае для преобразования применяются электрические антенны, а во втором - магнитные антенны.

В магнитном поле всегда запасена энергия W:

, где µ_a=µ₀µ - абсолютная магнитная проницаемость,

µ₀=1,257-10^-6 Гн/м, µ - относительная магнитная проницаемость, H - напряженность магнитного поля, Al - объем однородного магнитного поля V.

Поскольку B=µ₀·H, то .

В природе существуют вещества, способные намагничиваться, которые называются МАГНЕТИКАМИ. Магнетики, когда они намагничены, создают в окружающем пространстве магнитное поле.

Степень намагниченности магнетика определяется вектором намагничивания j, который пропорционален вектору напряженности поля, создаваемого магнетиком.

Магнитная индукция B - векторная величина, равная среднему значению индукции поля внутри магнетика. Эта величина складывается из индукции поля, намагничивающим током (µ₀H), и индукции поля, создаваемого магнетиком (4πj). В=µ₀H+4πj.

Связь между вектором намагничения j и напряженностью намагничивающего поля определяется выражением j=аеН, где величина ae, называемая магнитной восприимчивостью, зависит от рода магнетика и его состояния. Так как B=µ₀H, то µ=µ₀+4πae. Вещества, у которых µ намного больше единицы, называют ФЕРРОМАГНЕТИКАМИ.

Под действием вращающего магнитного поля, обусловленного фазовыми токами, протекающими в фазовых обмотках магнитной антенны магнитные диполи ферромагнетика ориентируются в направлении поля фазовых обмоток, увеличивая, таким образом, магнитную индукцию от В₀ до В.

Величина, показывающая во сколько раз увеличивается (уменьшается) магнитная индукция, называется относительная магнитная проницаемость µ.

.

С увеличением магнитной индукции магнитной антенны увеличивается напряженность магнитного поля антенны

, где µ₀=1,257·10^-6 Вс/Ам - магнитная постоянная.

Важнейшей характеристикой ферромагнетика является значение . Эта величина пропорциональна максимальной энергии магнитного поля, окружающего ферромагнетик. Так, например, значение для ферромагнетика "сплав магнико…" [Н.И. Кошкин и М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике, ФМ, Москва, 1962, с. 141] равно 190000 эрг/см³ (52дБ).

Следовательно, если фазовую обмотку кольцевой магнитной антенны разместить на поверхности ферромагнетика "сплав магнико…", то энергия магнитного поля, создаваемого магнитной антенной, увеличится на 52 дБ.

Из курса теоретических основ электротехники известно, что при питании трехфазной кольцевой обмотки трехфазным синусоидальным током, в последней возникает вращающееся магнитное поле, которое индуцирует в окружающем ее пространстве переменное электрическое поле. Частота индуцируемого электрического поля, частота излучения магнитоэлектрического поля кольцевой трехфазной обмоткой - магнитной антенной определяется частотой питающей трехфазной сети ƒ_пит и числом пар полюсов (p) (Г.И. Атабеков. Основы теории цепей. Москва, "Энергия", 1969)

.

Три одинаковые фазовые обмотки кольцевой магнитной антенны расположены так, что их оси сдвинуты относительно друг друга в пространстве на угол 120°. Тогда через фазовые обмотки будут протекать следующие токи:

i_A-I_msinωt;

;

.

Положительное направление токов обозначено на фиг. 1 с помощью точек и крестиков; точкой обозначено острие, а крестиком - конец стрелки, соответствующей по направлению с током.

При пропорциональной зависимости индукций от токов мгновенные значения индукций фаз выражаются следующим образом:

B_A=B_msinωt;

;

;

где B_m - амплитуда индукции на оси каждой фазовой обмотки, ω - угловая скорость, t - время, R=180°.

Результирующий вектор индукции определяется сложением векторов .

Результирующий вектор магнитного поля магнитной антенны имеет постоянный модуль, равный 1,5 Вт, и равномерно вращается с угловой скоростью ω, создавая круговое вращающееся магнитное поле.

Для изменения направления вращения поля достаточно поменять местами токи в каких-нибудь двух фазовых обмотках, например токи i_B и i_C.

Линии магнитной индукции замыкаются по воздушному кольцу кольцевой магнитной антенны. Место выхода линий индукции можно рассматривать как северный полюс, а место выхода как южный полюс магнитного поля магнитной антенны.

На Фиг. 1 представлено устройство кольцевой магнитной антенны вращающегося поля с трехфазной обмоткой на примере четырехполюсной антенны (2p=4) и расположение катушек трехфазной однослойной обмотки кольцевой магнитной антенны, и векторная диаграмма фазных токов.

Функциональная схема создания вращающегося магнитного поля магнитной антенны, поочередно подключающая обмотки антенны и графики напряжения и тока в фазовых обмотках, приведена на Фиг. 2.

Схема содержит следующие основные элементы: входной фильтр 1, служащий для уменьшения пульсаций тока в питающей сети постоянного тока; регулятор напряжения 2, позволяющий изменять напряжение питания магнитной антенны при изменении частоты излучения магнитного поля в соответствии с выбранным законом регулирования; преобразователь (инвертор) частоты 3, поочередно подключающий обмотки антенны 4 к шинам разной полярности.

Для передачи цифровой информации выходное напряжение преобразователя, подаваемого на обмотку магнитной антенны, модулируется высокочастотными сигналами, с применением широтно-импульсной модуляции.

Графики изменения напряжения, подаваемого на обмотку магнитной антенны при широтно-импульсной модуляции (а) и при широтноимпульсной модуляции по синусоидальному закону (б), представлены на Фиг. 3.

Широко-импульсная модуляция (ШИМ), англ. pulse-width-modulation (PWM) - управление средним значением напряжения на нагрузке путем изменения скважности импульсов управляющим ключом. Различают аналоговую ШИМ и цифровую ШИМ, двоичную (двухуровневую) ШИМ и троичную (трехуровневую) ШИМ.

В цифровой ШИМ прямоугольные подимпульсы, заполняющие период, могут стоять в любом месте периода. На среднюю величину на периоде влияет только их количество на периоде. Например, при разбиении периода на 8 частей, последовательности 11110000, 11101000, 11100100, 11100010 и др. дают одинаковую среднюю на периоде величину.

Основное достоинство магнитных антенн заключается в том, что линейные размеры антенн, изначально возбуждающие МЭП, не зависят от используемого диапазона длин волн, а достоинством магнитоэлектрических волн является их высокая помехозащищенность, информационная безопасность.

Проблема помехоустойчивости (помехозащищенности) информационной безопасности является также одной из важнейших проблем современной теории передачи информации. Значение и актуальность их с течением времени возрастает. Особенно остро проблема помехоустойчивости, информационной безопасности встает при проектировании и эксплуатации радиолиний различного назначения, имеющих ограниченный энергетический потенциал. Это, прежде всего, относится к спутниковым (космическим) радиолиниям радиотехнических систем.

Энергопотенциал радиолинии есть величина, показывающая, в какой полосе частот может передаваться информация с требуемым отношением сигнал/шум, т.е. с заданным качеством. Применительно к полосе сигнала ΔF можно записать,

C/No=(C/Ш)вых*ΔF,

где C/No - энергопотенциал радиолинии, (C/Ш)вых - отношение сигнал/шум на выходе демодулятора приемного канала.

Основным выражением, применяемым для расчета спутниковой радиолинии, является ,

где ЭИИМ - эквивалентная изотронно-излучаемая мощность передающего конца радиолинии, равная произведению выходной мощности передатчика и коэффициента усиления (КУ) передающей антенны с учетом потерь в фидерном тракте,

G/T - добротность приемного конца радиолинии, равная отношению коэффициента усиления приемной антенны к эффективной шумовой температуре приемного канала. Составляющими этой шумовой температуры выступают значения шумовой температуры самой антенны, ее фидерного тракта и малошумящего усилителя,

K - постоянная Больцмана, равная 1,38·10²³ Вт/Гц·K.

Таким образом, энергетический потенциал радиолинии определяется отношением сигнал/шум, которое в свою очередь определяется значениями выходной мощности передающего устройства и КУ передающей, приемной антенн, а само отношение сигнал/шум определяет уже скорость передачи информации и ее информационную безопасность, помехозащищенность.

Положительный эффект использования предложенного технического решения преимущества магнито-рамочных антенн по сравнению с электрическими состоит в следующем:

- предельная компактность сочетается с высоким значением коэффициента полезного действия;

- способность непрерывно перекрывать заданный интервал частот;

- магнито-рамочные антенны не нуждаются в согласующих устройствах;

- благодаря оптимальному согласованию отсутствуют потери мощности;

- пригодность для любых приемно-передающих устройств;

- при вертикальном расположении магнито-рамочной антенны ее диаграмма направленности в горизонтальной плоскости имеет форму восьмерки, что позволяет отстраиваться от мешающих станций (пеленгаторный эффект);

- при горизонтальном расположении магнито-рамочной антенны с экраном ее диаграмма направленности имеет однонаправленность, что позволяет создавать остронаправленные антенны, антенные решетки;

- магнитная составляющая поля магнитоэлектрического излучения глубже проникает в здание по сравнению с электрической составляющей. Обилие металла и проводов, хорошо проводящие стены, в определенной степени затрудняют проникновение электрической составляющей в помещения, благодаря чему магнито-рамочные антенны лучше работают в комнатах, нежели электрические;

- в режиме передачи рамочные антенны препятствуют излучению побочных гармоник передатчика, например, первая гармоника подавляется на уровне 35 дБ.

Использование предложенного технического решения позволяет существенно:

- снизить эквивалентную изотропно-излучаемую мощность передающих устройств, что позволит в свою очередь снизить мощность используемых источников питания электрической энергией;

- снизить значения коэффициентов усиления приемопередающих антенн, что позволит применять простейшие малогабаритные антенны, антенные решетки.

В целом, использование предложенного способа беспроводной передачи, приема информации позволит разработать и создать как локальные защищенные интеллектуальные национальные информационные системы, так и глобальные.

Анализ известных решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков предложенного технического решения.

Таким образом, предложенный способ беспроводной передачи, приема информации соответствует критериям новизны, изобретательскому уровню, промышленно применим и дает при использовании положительный эффект.

Изобретение относится к области передачи и приема информации с применением магнитоэлектрических волн и может быть использовано при разработке и создании наземных, спутниковых радиолиний в традиционном радиочастотном спектре и в звуковом диапазоне частот. Технический результат - повышение скорости передачи информации и повышение помехозащищенности. Для этого используют вращающееся пульсирующее магнитное поле во времени и в пространстве, которое на основании закона магнитоэлектрической индукции обеспечивает излучение, прием магнитоэлектрических волн и соответственно передачу и прием информации. 3 ил.

Способ беспроводной передачи, приема информации посредством электромагнитных волн, при котором изначально током электрических колебаний в форме информации модулируют высокочастотные колебания задающего генератора, усиливают их, преобразуют возбуждаемые в электрической антенне высокочастотные электрические колебания в свободные электромагнитные волны путем излучения их в определенные направления, а на приемном конце производят обратное преобразование, при котором электромагнитные волны, возбуждаемые в электрической антенне преобразуют в высокочастотные электрические колебания в форме информации, усиливают их, извлекают низкочастотные электрические колебания в форме информации путем демодуляции, усиливают их и преобразуют в информацию, отличающийся тем, что передачу, прием информации осуществляют посредством магнитоэлектрических волн, при этом преобразуют возбуждаемые высокочастотные электрические колебания в магнитной рамочной антенне в форме кольца из ферромагнетика, на поверхности которого размещена фазовая обмотка, в свободные магнитноэлектрические волны, путем излучения их в определенные направления, а на приемном конце производят обратное преобразование, при котором магнитноэлектрические волны, возбуждаемые в магнитной рамочной антенне в форме кольца из ферромагнетика, на поверхности которого размещена фазовая обмотка, преобразуют в электрические колебания в форме информации путем демодуляции, усиливают их и преобразуют информационные электрические колебания в информацию, а также тем, что электрическими колебаниями в форме информации модулируют электрические колебания задающего генератора с использованием широтноимпульсной модуляции, заполняя периоды модулируемых электрических колебаний прямоугольными подимпульсами, а на приемном конце производят демодуляцию, усиливают и преобразуют информационные электрические колебания в информацию.