СПОСОБ СЛОЖЕНИЯ МОЩНОСТИ ДВУХ И БОЛЕЕ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ КРАЙНЕНИЗКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2018 года по МПК H01Q3/00 

Настоящее изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке устройств для сложения излученной мощности двух и более антенн диапазона электромагнитных волн с частотой менее 0,3 кГц, т.е. с длинами волн, превышающими 1000 км.

Существующий способ сложения энергии электромагнитных волн в заданном направлении путем обеспечения синфазности излучений двух и более антенн основан на коррекции начальных фаз излучаемых колебаний, обусловленных различным расстоянием от каждой из антенн до точки приема сигнала (см. Фиг.). Способ сложения мощности излучений антенн описан в многочисленной литературе, например:

- Лавров А.С. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. радио, 1974.

- Самойленко В.И., Шишов Ю.А. Управление фазированными антенными решетками. М.: Радио и связь, 1983.

Недостатком существующего способа является то, что он может быть реализован только при условии нахождения точки приема в «дальней зоне» электромагнитного поля излучателя, определяемой неравенством: r>>λ/2π. В то же время в диапазоне ниже 0,3 кГц справедливо неравенство r<<λ/2π, что соответствует определению «ближней зоны» (Айзенберг Г.З. Коротковолновые антенны. М.: Гос. Изд. Лит. по вопросам связи и радио, 1962).

Целью настоящего изобретения является повышение мощности сигнала крайненизкочастотного диапазона в точке приема в заданном направлении при использовании одной или более передающих антенн.

Поставленная цель достигается тем, что при коррекции фаз излучаемых сигналов, учитывающей разность дистанций (R_n-R₀) от каждой из антенн до точки приема относительно самой короткой дистанции R₀, дополнительно в излучаемые сигналы вводятся фазовые сдвиги ϕ_n, учитывающие комплексные сопротивления каждой из антенн Z_n и комплексное сопротивление антенны с наименьшим удалением от точки приема Z₀, при этом фазовый сдвиг сигнала, излучаемого каждой n-ой антенной, рассчитывается по формуле:

Реализация способа осуществляется следующим образом. При распространении электромагнитных волн в дальней зоне напряженности электрического и магнитного полей синфазны, поскольку сопротивление свободного пространства, в том числе и атмосфера Земли, имеют активное сопротивление, равное 377 Ом (см., например, Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: URSS, 2011). Ближняя зона в коротковолновом диапазоне в средней его части не превышает 200 м. По этой причине при формировании диаграммы направленности нескольких передающих антенн, объединенных в антенную решетку с расстояниями между антеннами менее длины волны, разность фаз электромагнитных волн в точке приема определяется разностью дистанций от каждой из антенн до точки приема.

Принципиальное отличие распространения электромагнитного поля в ближней зоне состоит в том, что напряженности электрического и магнитного полей не являются синфазными. В литературе по электродинамике, в том числе Мурамцев Д.Ю. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. СПб: Лань, 2014, Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: ЛИБРОКОМ, 2012, стр. 328, отмечается, что силовые линии магнитного поля имеют сдвиг по фазе на π/2 относительно силовых линий электрического поля, что определяет чисто мнимый характер излучателя. Этот вывод справедлив для допущения, принятого в литературе по электродинамике, - излучатель представляет собой элементарный диполь, т.е. его размер много меньше длины волны, величина тока постоянна по всей длине диполя и отсутствуют потери. Реальные входные сопротивления антенн этого диапазона имеют как мнимую, так и вещественную составляющие, которые могут быть представлены выражением . Наличие угла ψ означает, что ток и напряжение в антенне не синфазны, а смещены по фазе на величину этого угла и, как следствие, имеет место смещение фаз между амплитудами напряженностей электрической и магнитной составляющими электромагнитного поля отличное от π/2 элементарного диполя.

Для определения требуемой величины фазовой коррекции гармонических токов в антеннах необходимо приравнять нулю сумму фаз колебания, принятого в качестве опорного, колебания излученного второй антенной и требуемого угла фазовой коррекции ϕ_n этого колебания.

Величина угла требуемой фазовой коррекции ϕ_n легко определяется с учетом известных величин комплексного входного сопротивления антенны, принятой в качестве опорного излучателя комплексного сопротивления n-ой антенны длины волны рабочей частоты λ и разности дистанции от антенн до точки приема R_n-R_0.

Таким образом, для сложения мощности от двух и более источников излучения необходим учет фазовых характеристик комплексных сопротивлений антенн крайненизкочастотного диапазона, т.к. в этом диапазоне приемник сигналов оказывается в ближней зоне распространения электромагнитных волн, характеризуемой отсутствием синфазности между электрической и магнитной составляющими напряженностей поля, в отличие от дальней зоны, в которой синфазность закономерна.

Настоящее изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке устройств для сложения излученной мощности двух и более антенн диапазона электромагнитных волн с частотой менее 0,3 кГц, т.е. с длинами волн, превышающими 1000 км. Предложено аналитическое выражение для определения величины фазового угла для коррекции фаз сигналов крайненизкочастотного диапазона при сложении этих сигналов в точке приема, учитывающее специфическую особенность ближней зоны распространения электромагнитных волн, заключающуюся в том, что напряженности электрической и магнитной составляющих в этой зоне не синфазны. 1 ил.

Способ сложения мощности двух и более излучателей крайненизкочастотного диапазона, заключающийся в том, что при коррекции фаз излучаемых сигналов учитывают разность дистанций (R_n-R₀) от каждой из антенн до точки приема относительно самой короткой дистанции R₀, отличающийся тем, что в излучаемые сигналы вводятся фазовые сдвиги ϕ_n, учитывающие комплексные сопротивления каждой из антенн Z_n и комплексное сопротивление антенны с наименьшим удалением от точки приема Z₀, при этом фазовый сдвиг сигнала, излучаемого каждой n-ой антенной, рассчитывается по формуле:

.