КВАНТОВОЕ РАДИОПЕРЕДАЮЩЕЕ И РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ И ПРИЕМА ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2018 года по МПК H04W8/00 

Изобретение относится к области передачи и приема информации с применением квантового радиопередающего и радиоприемного устройства магнитоэлектрических волн и может быть использовано при разработке и создании наземных спутниковых квантовых радиотехнических систем различного назначения, обеспечивающих высокий энергетический потенциал, высокую скорость передачи информации и их информационную безопасность и помехозащищенность.

Радиоприемное и радиопередающее устройство - совокупность технических средств радиотехнических систем различного назначения с целью передачи и приема информации (ППИ) между наземными пунктами (НП), между НП и космическими аппаратами (КА), между несколькими НП через КА и т.д.

Известно радиопередающее и радиоприемное устройство (прототип) ППИ с применением электромагнитных волн, содержащее: источник питания, задающий генератор колебаний высокой частоты, преобразователь информации в электрический сигнал, модуляционный каскад, выходной каскад, электрическую передающую антенну, излучающую электромагнитные волны и источник питания, электрическую приемную антенну, принимающую электромагнитные волны, входную цепь, усилитель высокой частоты, детектор, усилитель низкочастотного сигнала, преобразователь электрического сигнала в информацию (Н.И. Овчинников. Основы радиотехники. Изд-во Мин. обороны СССР, М.: - 1968, с. 8).

Основные недостатки известного устройства - низкий энергетический потенциал и как следствие низкая скорость передачи информации, низкая помехозащищенность и информационная безопасность, а так же зависимость линейных размеров электрических антенн от используемого диапазона длин волн (диапазона частот), низкая стабильность частоты (периода) излучаемых и принимаемых электромагнитных волн.

Изложенные недостатки устройства типичны для всех наземных, спутниковых и других устройств радиотехнических систем различного назначения, 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 не малых комплексных затрат, которые необходимо соизмерить с платой за риск в условиях расширенного применения технологий XXI века.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка принципиально нового квантового радиопередающего и радиоприемного устройства передачи и приема информации в любом диапазоне длин волн (в любом частотном диапазоне), с применением магнитоэлектрических когерентных волн.

Решение указанной задачи в квантовом радиопередающем и радиоприемном устройствах достигается путем замены выходного каскада, электрической антенны радиопередающего устройства и электрической антенны радиоприемного устройства, излучающих и принимающих электромагнитные волны, на малогабаритную сверхширокополосную магнитную квантовую антенну индуцированного когерентного излучения и приема магнитоэлектрических волн вращающейся поляризации, и путем замены входной цепи радиоприемного устройства на преобразователь слабого магнитного поля в электрический сигнал (Патент №2570651, МПК H04J 1/00, 2015 RU, Патент №2598312, МПК H04W 8/00, 2016, RU, Петербургский журнал электроника. 4/2014, с. 15, Авиакосмическая техника и технология, №2, 2014, с. 30-37, Авиакосмическая техника и технология, №4, 2014, с. 26-34).

Физическая сущность предлагаемого квантового радиопередающего и радиоприемного устройства передачи и приема информации заключается в следующем.

Согласно первому уравнению Максвелла изменение электрической составляющей связанного поля электрической антенны вызывает в ее окрестностях переменные магнитные поля.

Изменение магнитной составляющей связанного поля вызывает в ее окрестностях соответственно переменное электрическое поле. Вновь образованные поля уже свободные, они неразрывно 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 создания устройств 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 и 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 магнитное 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 уравнения 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 эфире (среде), 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 связанными электрическими колебаниями с применением электрических антенн, а во втором случае магнитоэлектрические волны (поле) изначально возбуждаются свободными 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 осуществлен, 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 радиопередающих и радиоприемных устройствах радиотехнических систем антенны выполняют специальную функцию, связывая излученную в пространстве принятую электромагнитную энергию с электронными компонентами аппаратуры.

В основу принципа работы квантового радиопередающего и радиоприемного устройства передачи и приема информации положено использование вращающегося переменного магнитного поля магнитной квантовой антенны, которое индуцирует в окружающем ее пространстве (среде) когерентное свободное магнитоэлектрическое поле.

Использование квантовых радиопередающих и радиоприемных устройств передачи и приема информации в спутниковых, наземных радиотехнических системах навигации, связи и других системах различного назначения позволит разработать и создать квантовые когерентные высокоэффективные системы передачи и приема информации, которые, в свою очередь, позволят:

- повысить энергетический потенциал систем на (52-153) дБ;

- соответственно снизить потребление электрической энергии, вес, габариты, эквивалентную изотропно-излучаемую мощность передающих устройств, коэффициенты усиления приемно-передающих антенн;

- повысить чувствительность радиоприемных устройств;

- исключить из состава систем квантовые стандарты частоты;

- повысить информационную безопасность, помехозащищенность систем и т.д.

Анализ технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии признаков предлагаемого технического решения.

Таким образом, предложенное квантовое радиопередающее и радиоприемное устройство передачи и приема информации соответствует критериям новизны, изобретательскому уровню, промышленной применимости и дает при использовании положительный эффект.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться для передачи и приема информации с применением малогабаритных, сверхширокополосных, магнитных антенн когерентного излучения и приема магнитоэлектрических когерентных волн вращающейся поляризации. Технический результат состоит в повышении пропускной способности передачи сигналов и скорости передачи и приема информации за счет широкополосности передачи. Для этого используют модуляцию информационными сигналами магнитного поля магнитоэлектрических волн на промежуточных частотах, а излучение, прием радиосигналов осуществляется на номинальной частоте.

Радиопередающее устройство передачи информации посредством электромагнитных волн, содержащее источник питания, задающий генератор колебаний высокой частоты, преобразователь информации в электрический сигнал, модуляционный каскад, выходной каскад, передающую антенну и радиоприемное устройство приема информации посредством электромагнитных волн, содержащее источник питания, приемную антенну, входную цепь, усилитель высокой частоты, детектор, усилитель низкочастотного сигнала, преобразователь электрического сигнала в информацию отличающиеся тем, что передачу информации осуществляют посредством когерентных волн вращающейся поляризации путем включения на выходе радиопередающего устройства малогабаритной сверхширокополосной магнитной антенны индуцированного когерентного излучения с вращающейся поляризацией, а прием информации осуществляют посредством приемной малогабаритной магнитной антенны индуцированного когерентного приема с вращающейся поляризацией и преобразования в цепи радиоприемного устройства слабого магнитного поля в электрический сигнал.