Радиостанция Российский патент 2024 года по МПК H04B7/00 H04B13/02 

Данное изобретение относится к области радиотехники, в частности к технике связи радиостанциями по радиоканалу, а именно к устройствам радиосвязи используемой в горнодобывающей промышленности, и может найти применение для организации голосовой связи внутри шахт между объектами, при этом осуществлять радиосвязь по радиоканалу с наземными службами, что особенно важно в период горноспасательных работ, а также осуществлять подводную радиосвязь между объектами, связь из подводного положения с надводным объектом и из надводного положения с подводным объектом.

В настоящее время, все радиостанции широкого применения осуществляющие связь по радиоканалу для передачи и приема голосовой информации используют вихревые поперечно-векторные (ВПВ) линейно поляризованные электромагнитные волны (ЭМВ) (в литературе используют термин - поперечные электромагнитные волны), при этом практически во всех радиостанциях промышленного производства используются штыревые антенны, или как принято в специальной литературе несимметричный вибратор, излучающие и принимающие линейно поляризованные ЭМВ [1].

Современные радиостанции осуществляют излучение и прием на ВЛППВ ЭМВ, при этом принципы формирования и обработки информационного сигнала радиостанциями подразделяются на два типа: первый тип – радиостанции, работающие на аналоговом сигнале, в которых используются аналоговые принципы формирования модулированных высокочастотных сигналов на передачу и обработки высокочастотных сигналов на прием, а второй тип – радиостанции работающие на цифровом сигнале, в которых используются принципы формирования высокочастотного модулированного сигнала на передачу и обработка высокочастотного модулированного сигнала на прием реализуемые полностью цифровым способом.

В настоящее время стараются максимально уйти от радиостанций, работающих на аналоговом сигнале и перейти на радиостанции, работающие на цифровом сигнале, в связи с этим проводятся работы по совершенствованию радиостанций с цифровой обработки сигналов и использования современной микроэлектронной элементной базы в приемных и передающих каналах радиостанций. Так, например, некоторые технические решения по совершенствованию передающих и приемных трактов радиостанций с цифровой обработкой сигнала описаны в патентах: RU №85774 U1, КU №96302 U1, RU №105099 U1, RU №118497 U1, RU №135868 U1, RU №202325 U1.

Известно, что связь по радиоканалу между абонентами разделенными средами с высокой плотностью материала (например, горная порода в подземных угольных шахтах) радиостанциями работающими на ВПВ линейно поляризованных ЭМВ можно осуществлять в тоннелях с прямой видимостью и то на небольшие расстояния, при этом осуществить связь абонента расположенного в подземном тоннеле с наземными службами и обратной связи наземных служб с абонентами расположенными под землей не представляется возможным, поскольку в таких средах ВПВ линейно поляризованные ЭМВ очень быстро затухают [2].

Такая же проблема существует при организации радиосвязи между абонентами под водой, из подводного положения абонента с надводным абонентом и наоборот - надводного абонента с подводным абонентом по той же самой причине, поскольку ВПВ линейно поляризованные ЭМВ очень быстро затухают.

Таким образом следует однозначный вывод, что осуществить двухстороннюю связь по радиоканалу радиостанциями, работающими на ВПВ линейно поляризованных ЭМВ в средах с высокой плотностью материала невозможно.

Известно, что для безвихревых скалярно-продольных (БВСП) неполяризованных ЭМВ среды с высокой плотностью материала, а также металлические экраны, являются радиопрозрачными средами [3, 4, 5, 6].

Экспериментально подтверждена возможность организации пространственной радиосвязи в свободном пространстве на БВСП неполяризованных ЭМВ, где в качестве излучающей и приемной антенны использовались вибраторы шаровой формы расположенные над поверхностью земли на определенном расстоянии, выполняющей в данном эксперименте роль подстилающей поверхности. Эксперимент подтвердил возможность создания канала радиосвязи на БВСП неполяризованных ЭМВ.

Суть эксперимента заключалась в подтверждении возможности формирования БВСП неполяризованных ЭМВ и осуществление на этих волнах пространственной радиосвязи [7].

Был проведен эксперимент с использованием радиостанций по созданию речевого канала радиосвязи между абонентами, расположенными в среде с высокой плотностью материала - в морской воде [8].

Проводилось два эксперимента: первый эксперимент - подводная двухсторонняя связь осуществлялась между абонентами, находящимися под водой, а второй эксперимент – двухсторонняя связь осуществлялась с расположением одного абонента на поверхности суши, а второго абонента с расположением под водой. В качестве излучающей и приемной антенны использовалась катушка Теслы.

Из проведенного эксперимента следует, что двухсторонняя радиосвязь по радиоканалу на БВСП неполяризованных ЭМВ возможна в средах с высокой плотностью материала (морская вода).

Известен способ формирования БВСП неполяризованных ЭМВ и антенна для осуществления двухсторонней связи на этих волнах [5]. Способ формирования БВСП неполяризованных ЭМВ реализуется на апертуре антенны, а именно отрезок коаксиальной линии передачи с ВПВ неполяризованной ЭМВ типа - ТЕМ, на внешний проводник которого со стороны апертуры вершиной установлен металлический конусообразный осесимметричный рефлектор, при этом центральный проводник отрезка коаксиальной линии передачи длиной L, размещенный внутри конусообразного рефлектора со стороны его вершины, является возбудителем, осуществляющим внутри конусообразного рефлектора формирование БВСП неполяризованной ЭМВ [9].

Формирование БВСП неполяризованных ЭМВ в данном техническом решении осуществляется следующим образом: первичный поверхностный ток проводимости I_п, протекающий по проводнику возбудителя, возбуждает электрический вектор поля Е_п поперечной электромагнитной волны, который на внутренней поверхности конусообразного рефлектора возбуждает вторичный ток проводимости I_в параллельный продольной оси раскрыва конусообразного осесимметричного рефлектора, который в свою очередь возбуждает два вектора электрического поля E_// и E_﬩, где первый вектор электрического поля параллелен продольной оси конусообразного рефлектора, а второй - ортогонален ей. При этом векторы, составляющие электрические поля E_//, ориентированы одинаково, а векторы, составляющие электрические поля E_﬩, - встречно [10].

В силу суммарного взаимодействия всех составляющих вектора электрического поля E_// на апертуре конусообразного рефлектора, ориентированного параллельного продольной оси с направлением движения энергии в том же направлении – соответствует излучению БВПС неполяризованной ЭМВ.

Таким образом, формирование и излучение БВСП неполяризованной ЭМВ реализуется в результате преобразования энергии ВПВ неполяризованной ЭМВ типа -ТЕМ в энергию вторичной БВСП неполяризованной ЭМВ, которая излучается в направлении раскрыва конусообразного осесимметричного рефлектора.

В данном техническом решении к точности выполнения внутренней поверхности конусообразного осесимметричного рефлектора предъявляются жесткие требования, поскольку наличие дефектов приводит к искажению вторичного тока проводимости I_в на внутренней поверхности конусообразного осесимметричного рефлектора, а именно к нарушению параллельности его продольной оси, что приводит к возбуждению волн высшего порядка и энергетическим потерям в режиме прямого преобразования при излучении и в режиме обратного преобразования при приеме сигнала. Кроме того, поскольку конусообразный осесимметричный рефлектор со стороны апертуры не экранирован и нагружен на свободное пространство, в котором всегда присутствуют ВПВ поляризованные ЭМВ, то на апертуре конусообразного осесимметричного рефлектора эти волны формируют паразитные поверхностные токи, которые нарушают формирование БВСП неполяризованных ЭМВ как в режиме излучения, так и режиме приема, что приводит к ухудшению всех электрических характеристик антенны.

Размеры конусообразного осесимметричного рефлектора в прямую зависят от длины волны, т.е. могут иметь значительные размеры и вес, кроме того, при осуществлении радиосвязи конусообразный осесимметричный рефлектор ориентируется продольной осью параллельно поверхности земли, поэтому для переносных радиостанций применение невозможно.

Такие антенны могут найти применение для стационарных или мобильных передвижных радиостанций.

Известна антенна, осуществляющая излучение и прием БВСП неполяризованных ЭМВ [11]. Антенна содержит токопроводящий цилиндр, на который установлены соосно две, разнесенные на некоторое расстояние друг от друга, плоские катушки со спиральной намоткой и реактивный элемент, при этом одними концами первая и вторая катушки индуктивности соединены между собой, причем первая и вторая плоские катушки индуктивности намотана встречно. Причем первая и вторая катушки индуктивности установлены в медный экран цилиндрической формы, обеспечивающий полную экранировку, что позволяет экранировать антенны от ВПВ поляризованных ЭМВ, а для БВСП неполяризованных ЭМВ – экран абсолютно прозрачен.

При такой намотке направление магнитного поля первой катушки находится в противоположном направлении по отношению к магнитному полю второй катушки индуктивности, при этом токопроводящий цилиндрический проводник расположен так, чтобы пересекать магнитное поле первой катушки и магнитное поле второй катушки. Эффективность антенны определяется возможностью протекания максимального тока в первой и второй катушках индуктивности, при этом уменьшением индуктивного сопротивления катушек обеспечивается с помощью включения реактивного элемента – конденсатора.

Параллельный резонансный контур формируется посредством параллельного включения конденсатора между входными/выходными проводниками катушек индуктивности. Последовательный резонансный контур формируется посредством последовательного включения в разрыв между соединительными проводниками первой со второй катушками индуктивности.

Первая и вторая катушки индуктивности, при прочих равных условиях, могут быть выполнены объемными, за исключением того, что токопроводящий цилиндрический проводник, пересекающий магнитное поле первой катушки и магнитное поле второй катушки, как в предыдущим техническом решении, не используется [12].

Такая антенна может использоваться в прямую с радиостанцией только в режиме излучения (передачи), в режиме приема без устройства преобразования принятых БВСП неполяризованных ЭМВ волн в ВПВ неполяризованные ЭМВ невозможно. Кроме того, антенна имеет значительные размеры, что не компонуется с радиостанцией, а также катушки индуктивности имеют ограничения по диапазону рабочей длины волны.

Известна приемно-передающая антенна БВСП неполяризованных ЭМВ 13]. В данном техническом решении рассмотрены два типа полностью экранированных антенн, способных обеспечить излучение и/или прием БВСП неполяризованных ЭМВ, одна антенна - монопольная антенна и другая антенна - плоская плотно намотанная бифилярная спиральная катушка. В данном техническом решении рассматриваются исключительно антенны способные излучать БВСП неполяризованные ЭМВ, но не рассматриваются устройства способные формировать эти волны.

Монопольная антенна представляет собой полностью экранированный несимметричный вибратор, выполненный на основе отрезка коаксиальной линии. Излучателем является центральный проводник коаксиальной линии с четвертьволновым короткозамыкающим коаксиальным шлейфом, гальванически установленным на внешнем проводнике коаксиальной линии, обеспечивающий симметрирование поверхностного тока внешнего проводника отрезка коаксиальной линии.

Плоская катушка с плотной бифилярной спиральной намоткой, сформированная чередующимся первым и вторым проводниками так, что электрический ток в соседних витках катушки будет распространяться в противоположных направлениях, тем самым подавляя любое магнитное поле, так что во время работы катушка излучает и/или принимает БВСП неполяризованные ЭМВ.

Монопольная антенна в виде несимметричного вибратора и антенна в виде плоской катушки с плотной бифилярной спиральной намоткой выполняется полностью экранированной медным экраном, который является абсолютно радиопрозрачным для БВСП неполяризованные ЭМВ и полностью экранирующим для ВПВ поляризованных ЭМВ. Полная экранировка позволяет полностью устранить влияние внешних ВПВ поляризованных ЭМВ, которые являются помехой и присутствуют в эфире в очень широком диапазоне частот.

Прямое подключение антенны, по данному техническому решению, в виде экранированного несимметричного вибратора или экранированной плоской катушки непосредственно к выходному/входному каналу радиостанции, которая излучает и принимает ВПВ поляризованных ЭМВ, без проходного взаимного устройства преобразования, подключаемого между радиостанцией и антенной, излучать и принимать БВСП неполяризованные ЭМВ невозможно.

Проходное взаимное устройство преобразования обеспечивает: в режиме излучения преобразование ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ в БВСП неполяризованные ЭМВ; в режиме приема преобразование БВСП неполяризованных ЭМВ в ВПВ неполяризованные ЭМВ типа – ТЕМ.

Известно устройство только для излучения БВСП неполяризованных ЭМВ, формируемых проходным невзаимным устройством преобразования ВПВ линейно поляризованных ЭМВ волноводного типа Н₁₀ [14]. Устройство содержит два отрезка идентичных прямоугольных волновода установленных вплотную друг к другу узкими стенками, электрическая длина одного волновода относительно электрической длины другого волновода отличается на половину центральной длины волны в волноводе. Коаксиально - волноводные переходы установлены на одних концах обоих волноводов, каждый из которых преобразует ВПВ неполяризованную ЭМВ типа – ТЕМ в ВПВ линейно поляризованную ЭМВ волноводного типа Н₁₀ , другие открытые концы волноводов торцами расположены в одной плоскости и через обратный рупор соединены с одним концом отрезка переходного волновода прямоугольного поперечного сечения, аналогичного поперечному сечению прямоугольных волноводов, другой конец которого соединен с прямоугольным Н - плоскостным секторальным рупором, аналогичным обратному рупору, раскрыв которого не экранирован и является излучателем (излучающей антенной) БВСП неполяризованных ЭМВ.

Устройство (антенна) по данному техническому решению: - в режиме излучения путем последовательного преобразования фидерным трактом входной ВПВ неполяризованной ЭМВ типа – ТЕМ в ВПВ поляризованную ЭМВ волноводного типа Н₁₀ с последующим преобразованием в излучаемую Н - плоскостным секторальным рупором БВСП неполяризованную ЭМВ.

Кроме того, в режиме излучения в волноводном тракте в результате не полного согласования (КСВ>1) в раскрыве излучающего Н - плоскостного секторального рупора вместе с излучаемой БВСП неполяризованной ЭМВ присутствует и излучается ВПВ линейно поляризованная ЭМВ, что является недостатком.

В режиме приема Н - плоскостной секторальный рупор принимает БВСП неполяризованную ЭМВ, но осуществить обратное преобразование в фидерном тракте в ВПВ неполяризованную ЭМВ типа – ТЕМ невозможно, что также является существенным недостатком.

Таким образом следует, что такое техническое решение не может быть использовано в радиостанциях для работы с БВСП неполяризованными ЭМВ.

В качестве прототипа представим радиостанцию ВПВ неполяризованных ЭМВ в виде классической укрупненной функциональной схемы, состоящей из приемного канала (приемника) и передающего канала (передатчика), при этом выходной передающий канал и входной приемный канал подключены к входным каналам антенного коммутатора приема -передачи, который в свою очередь подключен к антенне [15].

Проводить подробную детализацию приемного канала (приемника) и передающего канала (передатчика) не будем, поскольку цель изобретения состоит не в расширении или улучшении функциональных возможностей радиостанции излучающей и принимающей ВПВ поляризованные ЭМВ и нагруженной на антенну, например в виде несимметричного вибратора (штыревая), а целью является введение второго канала для приема и излучения БВПС неполяризованных ЭМВ.

Введение второго канала в радиостанцию наравне с первым каналом позволяет создать двухканальную радиостанцию, работающую на двух совершенно разных по электродинамическим свойствам распространения ЭМВ, что позволяет существенно расширить эксплуатационные возможности радиостанции.

Технической задачей данного изобретения является: создание на базе штатной радиостанции, радиостанцию с расширенными эксплуатационными возможностями, осуществляющую переключаемую на раздельные антенны двухканальную приемно-передающую радиосвязь, по первому радиоканалу на одну антенну осуществление приемно-передающей радиосвязи на ВПВ поляризованных ЭМВ, по второму радиоканалу на вторую антенну осуществление приемно-передающей радиосвязи на БВСП неполяризованных ЭМВ; обеспечить в режиме излучения преобразование входной, с передающего канала, ВПВ неполяризованной ЭМВ типа – ТЕМ в излучаемую БВСП неполяризованную ЭМВ, а в режиме приема принятую БВСП ЭМВ преобразовать в ВПВ неполяризованную ЭМВ типа – ТЕМ, являющейся входной для приемного канала радиостанции; с возможностью согласования антенно-фидерного тракта радиоканала ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ путем включения перестраиваемых реактивных импедансных элементов; с возможностью регулирования эффективности преобразования ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ в БВСП неполяризованные ЭМВ путем включения перестраиваемых реактивных элементов амплитудно-фазовой корректировки структуры электромагнитных полей; с возможностью поглощения не преобразованных ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ; создание высокотехнологичной конструкции радиостанции за счет возможности выполнения всех функциональных элементов и антенно-фидерного тракта первого и второго радиоканалов в едином конструктиве с высокой технологической воспроизводимостью.

Поставленная цель достигается тем, что радиостанция, содержащая блок приемного канала, блок передающего канала, блок двухканального с входными каналами коммутатора приема-передачи с коаксиальным выходом, с коаксиальным входом антенну излучения и приема ВПВ поляризованных ЭМВ, при этом входной канал блока приемного канала и выходной канал блока передающего канала подключены к первому и второму входным каналам блока двухканального коммутатора приема-передачи соответственно, причем выходной канал блока двухканального коммутатора приема-передачи с выходной ВПВ неполяризованной ЭМВ типа – ТЕМ через коаксиальный соединитель подключен к коаксиальному входному каналу введенного блока двухканального антенного переключателя, один выходной коаксиальный канал которого через коаксиальный соединитель подключен к антенне излучения и приема ВПВ поляризованных ЭМВ, другой выходной канал через коаксиальный соединитель подключен к входному коаксиальному каналу введенного блока преобразователя (БП) ВПВ неполяризованных ЭМВ типа - ТЕМ в БВСП неполяризованные ЭМВ, при этом БП выполнен в виде последовательного соединения модуля двухканального трехдецибельного делителя мощности ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ с развязанными выходными каналами, входной коаксиальный канал которого является входным каналом БП, один и другой выходные каналы фидерных линий волны типа – ТЕМ модуля двухканального трехдецибельного делителя мощности ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ подключены к входному опорному каналу и к входному противофазному каналу модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора волны типа – ТЕМ соответственно, разность электрических длин опорного и противофазного каналов которого составляет 180°, при этом выходные опорный и противофазный каналы фидерных линий волны типа – ТЕМ двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора с выходными ВПВ неполяризованными ЭМП волнами типа - ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей через фидерные линии волны типа – ТЕМ опорного и противофазного каналов подключены к входным развязанным каналам двухканального по входу и одноканальному по выходу модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя соответственно, где входные ВПВ неполяризованные ЭМВ типа - ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей преобразуются в БВСП неполяризованную ЭМВ при этом через выходной канал модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя с БВСП неполяризованной ЭМВ, являющийся выходным каналом БП, и через коаксиальный соединитель подключен к введенной полностью экранированной антенне излучения и приема БВСП неполяризованных ЭМВ, причем блок двухканального антенного переключателя, модуль двухканального трехдецибельного делителя мощности.

При этом модуль двухканального трехдецибельного делителя мощности и модуль двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора выполнены на экранированных фидерных линиях волны типа – ТЕМ, это или коаксиальные линии, или печатные экранированные полосковые линии. Модуль проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя выполнен на основе печатной экранированной полоской линии.

Соединение между функциональными модулями, в зависимости от их схемотехнического и конструктивного выполнения, может выполняться через коаксиальные соединители коаксиальными линиями или непосредственно печатными экранированными полосковыми линиями.

В данном техническом решении радиостанции блок приемного канала, блок передающего канала и блок двухканального коммутатора переключения приема-передачи используются штатные схемно-технические и конструктивные решения, при этом на коаксиальным выходе коммутатора приема-передачи сформирована ВПВ неполяризованная ЭМВ типа – ТЕМ коаксиальной линии.

Двухканальный коаксиальный антенный переключатель по первому каналу формирует классический режим работы приемно-передающей радиостанции на антенну в виде несимметричного вибратора (например, штыревая антенна), где ВПВ неполяризованная ЭМВ типа – ТЕМ коаксиального фидера становится ВПВ линейно поляризованной ЭМВ.

Второй канал двухканального коаксиального антенного переключателя формирует второй режим работы приемно-передающей радиостанции – работу на БВЧП неполяризованных ЭМВ. Этот режим формирует БП, который в режиме излучения - преобразует ВПВ неполяризованные ЭМВ типа – ТЕМ с блока передающего канала сигнала переда в излучаемые БВСП неполяризованные ЭМВ, а режиме приема – преобразует принятые антенной БВСП неполяризованные ЭМВ в ВПВ неполяризованные ЭМВ типа – ТЕМ поступающие в приемный канал радиостанции.

Причем все преобразования с ЭМВ осуществляются непосредственно на рабочей частоте радиостанции заложенные в модели (десятка МГц или ГГц), а это уже диапазон длин волн, когда геометрические размеры функциональных элементов соизмеримы с частями длины волны или полной длиной волны, при этом фидерный тракт это коаксиальная линия или экранированная печатная полосковая линия, а соединительные элементы выполняются на коаксиальной линии.

Модуль двухканального трехдецибельного делителя мощности ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ в режиме излучения делит сигнал равноамплитудно и синфазно на два развязанных между собой канала, а в режиме приема суммирует два синфазных равноамплитудных сигнала на один канал. Данный модуль может выполняться на экранированных печатных полосковых линиях передачи или коаксиальных линиях.

Модуль двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазаинвентора состоящий из опорного канала и противофазного канала обеспечивает фиксированный 180° сдвиг между каналами в прямом и обратном направлениях распространения сигнала, а именно в режиме излучения и режиме приема, что соответствует свойству взаимности. Данный модуль может выполняться на коаксиальных линиях или на печатных полосковых линиях передачи, предпочтительно экранированных [16].

Модуль проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя в зависимости от режима передатчика или приемника представляет из себя два разных устройства: в режиме излучения работает как двухканальный по входу с развязанными входными каналами и одноканальный по выходу; в режиме приема работает как одноканальный по входу и двухканальный по выходу с развязанными выходными каналами.

Таким образом: - в режиме излучения происходит преобразование в виде наложение двух входных ВПВ неполяризованных ЭМВ типа - ТЕМ с 180° противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей, в результате наложения на выходном канале сформирована общая БВСП неполяризованная ЭМВ характеризуемая электрическим и магнитным нуль-векторами; - в режиме приема происходит преобразование в виде разложения принятой входной БВСП неполяризованной ЭМВ характеризуемой электрическим и магнитным нуль-векторами на две ВПВ неполяризованные ЭМВ типа - ТЕМ с 180° противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей, которые в результате разложения сформированы на одном и другом выходных каналах соответственно.

Образование нуль-векторной ситуации в условиях сохранения действенности электрического и магнитного полей является теоретическим признаком практической реализации симметрично-физического перехода в ходе образования общей ЭМВ.

Геометрическое суммирование равных противонаправленных электрических и магнитных векторов напряженности дает в итоге интерференционные нуль-векторы. Подчиняясь фундаментальному принципу суперпозиции полей, общая ЭМВ в нуль-векторной ситуации утрачивает традиционные поляризационную (поперечно-векторную) и структурную (вихревую) характеристики.

В рамках идеи о симметрично-физическом переходе иррациональная нуль-векторная ситуация в суммарном поле переходит в реальную БВСП неполяризованную ЭМВ. По определению градиент продольно ориентированного неоднородного скалярного поля есть продольно ориентированный вектор, т.е. БВСП неполяризованная ЭМВ.

В плосковолновом приближении векторы напряженности электрического и магнитного полей в БВСП неполяризованной ЭМВ ориентированы в открытом пространстве коллинеарно вектору потока плотности электромагнитной энергии.

Модуль проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя выполняется на основе экранированной продольно симметричной области волны типа – ТЕМ [17, 18].

В антенно-фидерном тракте опорного и противофазном каналах блока преобразователя, в связи с не идеальным согласованием, образуются стоячие ЭМВ (КСВ>1), в связи с этим в модуле проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя в режиме излучения – наложение и в режиме приема – разложение происходит не полное преобразование ЭМВ.

Поэтому практически на выходе модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя имеется некоторое количество (порядка 15%....35%) ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ.

В связи с этим при частичной нуль-векторной полеволновой ситуации общая электромагнитная энергия переносится БВСП неполяризованными ЭМВ и ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ.

Если комбинированная ЭМВ в структуре преобразователя входит в резонансный контур, то образовавшийся в замкнутом контуре замкнутый ток инициирует рассимметризацию продольной составляющей ЭМВ. Силовые линии вслед за током замыкаются, что приводит к перерождению БВСП неполяризованными ЭМВ в ВПВ неполяризованные ЭМВ типа – ТЕМ. [19].

Для согласования антенно-фидерного тракта блока преобразователя в разрыв соединения одного и другого выходных каналов модуля двухканального трехдецибельного делителя мощности с входными опорным и противофазным каналами модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора включены модули импедансного согласования ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ, а в разрыв соединения опорного и противофазного выходных каналов модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора с входными каналами модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя включены модули амплитудно-фазовой коррекции ВПВ неполяризованных ЭМВ типа - ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей соответственно.

Для амплитудно-фазовой коррекции ВПВ неполяризованных ЭМВ типа - ТЕМ в режиме наложения и в режиме разделения в модуле проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя в области входного опорного и входного противофазного каналов и в области нуль-векторного преобразования установлены перестраиваемые реактивные элементы, что обеспечивает более полное преобразование (наложение и разложение) входных сигналов.

Для устранения не преобразованных в модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя в режиме наложения входных ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей проходящих в выходной канал включен в разрыв соединения выходного канала модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя с полностью экранированной антенной проходной взаимный модуль поглощения апертурных ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ, выполненный на экранированной линии передачи волны типа – ТЕМ, например выполненный на отрезке коаксиальной линии с установленной внутри секцией из радиопоглощающего материала или на отрезке симметричной экранированной полосковой линии с установленной внутри секции из радиопоглощающего материала.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 - схематически представлена структурная схема приемно-передающей радиостанции, содержащей блок передающего канала, блок приемного канала, при этом входной канал блока приемного канала и выходной канал блока передающего канала подключены к первому и второму входным каналам блока двухканального коммутатора приема-передачи, выходной канал которого подключен к входному каналу блока двухканального антенного переключателя один выходной канал которого, например через коаксиальный соединитель подключен к антенне излучения и приема ВПВ линейно поляризованных ЭМВ, другой выходной канал подключен к входному каналу блока преобразователя, выходной канал которого подключен к экранированной монопольной антенне излучения и приема БВСП неполяризованных ЭМВ;

на фиг.2 - схематически представлена структурная схема блока преобразователя радиостанции, состоящего из последовательно соединенных модуля двухканального трехдецибельного делителя мощности, входной канал которого является входным каналом блока преобразователя, модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора, модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя, выходной канал которого является выходным каналом блока преобразователя, при этом входной и выходной каналы блока преобразователя выполнены на коаксиальных соединителях;

на фиг.3 - схематически представлена структурная схема приемно-передающей радиостанции с включением проходного взаимного модуля импедансного согласования ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ, включением проходного взаимного модуля амплитудно-фазовой коррекции ВПВ неполяризованных ЭМВ типа - ТЕМ в опорном и противофазном каналах, включение проходного взаимного модуля поглощения непреобразованных апертурных ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ.

Принцип формирования БВСП неполяризованных ЭМВ базируется на основе теории «Безвихревой электродинамики».

Формирование БВСП неполяризованных ЭМВ путем противофазного наложения двух когерентных ВПВ неполяризованные ЭМВ типа - ТЕМ с 180° противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей обеспечивая по всему периоду колебательного процесса интерференционные электрические и магнитные нуль-векторы.

Распространение идеи симметрично-физических переходов на полеволновой процесс позволяет предположить образование электромагнитных свойств у более симметричной ЭМВ. Как следует из анализа центрально-симметричной магнитостатики стационарные магнитные поля способны к симметризирующему наложению, сопровождаемому переходом от циркуляционного свойства к потенциальному в общем магнитном поле [20, 21].

Результат в режиме излучения симметризирующего наложения полей волнового процесса - когерентных ВПВ неполяризованные ЭМВ типа - ТЕМ с 180° противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей накладываются противофазно так, что векторы электрического и магнитного полей образуют в итоге геометрические нуль-векторы по всему периоду общего полеволнового процесса.

При противофазном наложении двух одинаковых ЭМВ, образующие в теоретическом описании геометрические нуль-векторы, свидетельствуют не о взаимной компенсации накладывающихся электромагнитных полей ЭМВ, что нарушило бы принцип сохранения энергии, а лишь их исходные свойства. Таким образом теоретические нуль-векторы свидетельствуют об отсутствии у поля общей ЭМВ исходных поляризационных (поперечных) и структурных (вихревых) свойств [22].

Согласно электродинамической модели, в свободном пространстве и в плосковолновом приближении векторы напряженности электрического и магнитного полей БВСП неполяризованных ЭМВ взаимно коллинеарны и ортогональны плоскости фронта ЭМВ

Лучеподобный вектор S однозначно задает продольную ориентацию связанным с ним электрическому и магнитному векторам. Скалярные составляющие есть следствие заимствования модулей векторов от соответствующих геометрических нуль-векторов [23].

Приемно-передающая радиостанция работает следующим образом.

Приемно-передающая радиостанция работает на двух независимых, переключаемых вручную каналах, каждому из которых присущ свой тип электромагнитной волны: - первый канал на ВПВ линейно поляризованных (поперечных) ЭМВ нагруженный на штатную антенну в виде несимметричного вибратора; - второй канал на БВСП неполяризованных (продольных) ЭМВ нагруженный на полностью экранированную антенну, например в виде несимметричного вибратора. Поскольку в основе радиостанции лежат широко распространенные штатные радиостанции, работающие на ВПВ линейно поляризованных ЭМВ, которые через коаксиальный соединитель подключены непосредственно на антенну, а технической задачей данного изобретения является включение в штатную радиостанцию второго канала как единое целое, поэтому принцип работы радиостанции рассмотрим по второму каналу – работа на БВСП неполяризованных ЭМВ.

Приемно-передающая радиостанция 1 (фиг.1) содержит блок передающего канала 2, блок приемного канала 3, блок двухканального коммутатора 4 приема-передачи, один входной канал 5 которого подключен к выходному каналу блока передающего канала 2, второй входной канал 6 подключен к входному каналу блока приемного канала 3, выходной канал 7 блока двухканального коммутатора 4 приема-передачи ВПВ неполяризованных ЭМВ подключен к входному каналу 8 блока двухканального антенного переключателя 9, один выходной канал 10 приема-передачи ВПВ неполяризованных ЭМВ подключен к антенне 11 приема и передачи ВПВ линейно - поляризованных ЭМВ, при этом другой выходной канал 12 блока двухканального антенного переключателя 9 подключен к входному каналу 13 блока преобразователя 14, выходной канал 15 которого подключен к экранированной антенне 16 приема и передачи БВСП неполяризованных ЭМВ.

БП 14 (фиг.2) осуществляет в режиме передачи входную ВПВ неполяризованную ЭМВ типа - ТЕМ, поступающую с блока двухканального антенного переключателя 9 на входной канал 13 преобразует в БВСП неполяризованную ЭМВ на выходном канале 15.

В режиме излучения преобразование осуществляется следующим образом: входная ВПВ неполяризованная ЭМВ типа – ТЕМ через входной канал 13 на модуле двухканального трехдецибельного делителя мощности 17 с развязанными выходными каналами делится на два равноамплитудных синфазных сигнала, которые поступают в опорный 19 и противофазный 20 каналы модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора 18, на выходных каналах которого входные ВПВ неполяризованные ЭМВ типа - ТЕМ становятся 180° противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей типа – ТЕМ поступают на входные опорный 21 и противофазный 22 каналы модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя 23, на выходном канале 15 которого формируется БВСП неполяризованная ЭМВ, которая излучается полностью экранированной антенной 16.

В режиме приема преобразование осуществляется следующим образом: принятая полностью экранированной антенной 16 неполяризованная ЭМВ поступает на выходной канал модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя 23, где происходит равноамплитудное разделение принятого сигнала на две ВПВ неполяризованных ЭМВ типа - ТЕМ с 180° противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей и через опорный 21 и противофазный 22 каналы поступает на опорный 19 и противофазный 20 каналы модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора 18, на выходных каналах которого ВПВ неполяризованные ЭМВ типа – ТЕМ синфазны и равноамплитудны, где в модуле двухканального трехдецибельного делителя мощности 17 происходит суммирование этих сигналов и через антенный переключатель 9 поступает на вход блока двухканального коммутатора 4 приема-передачи, с выходного канала 6 сигнал поступает на входной канал приемного блока 3 радиостанции 1.

Для амплитудного согласования фидерного тракта опорного 19 и противофазного 20 каналов модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора 18 (фиг.3) последовательно включаются модули импедансного согласования 24 ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ.

Для амплитудно-фазового согласования опорного 19 и противофазного 20 каналов модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя 23 (фиг.3) последовательно включаются модули амплитудно-фазовой коррекции 25 ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ.

Устранение непреобразованных ВПВ неполяризованных ЭМВ типа - ТЕМ в модуле проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя 23 в режиме передачи последовательно перед экранированной антенной 16 включается проходной взаимный модуль поглощения 26 непреобразованных ВПВ неполяризованных ЭМВ типа – ТЕМ, выполненный в виде секции фидерной линии волны типа – ТЕМ из радиопоглощающего материала.

Поскольку выходной канал 7 радиостанции 1 блока двухканального коммутатора 4 приема – передачи выполнен на коаксиальном соединители с ВПВ неполяризованной ЭМВ типа – ТЕМ, и при этом все преобразования для формирования БВСП неполяризованной ЭМВ выполняются на основе ВПВ неполяризованной ЭМВ типа – ТЕМ и приемно-передающая антенна ВПВ линейно - поляризованной ЭМВ типа – ТЕМ и приемно-передающая антенна БВСП неполяризованной ЭМВ выполнены с коаксиальным соединителем, поэтому функциональные элементы и фидерный тракт выполняются на основе экранированных линий передачи волны типа – ТЕМ, а это два типа линий: коаксиальные линии и экранированные печатные полосковые линии. В связи с этим в зависимости от технологии, конструкторских решений и компоновки радиостанции функциональные модули могут выполняться двух видов одновременно на коаксиальных линиях и экранированных полосковых линиях и соответственно межмодульные межблочные соединения могут быть комбинированными.

Источники информации

1. Электродинамика и распространение радиоволн. В.В. Никольский. Учебное пособие. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», М., 1973, 605 с.

2. Р. Кинг, Г. Смит. Антенны в материальных средах: В 2-х книгах. Кн. 1, Пер. с англ. под ред. В.Б. Штейншленгера – М.: Мир, 1984. – 408 с., ил.

3. «Продольные электромагнитные волны». - Библиография 1970-2022. (232 позиции). Отделение ГПНТБ СО РАН (Новосибирск) – Составитель Зарубин А.Н. [Электронный ресурс]: Режим доступа (http://prometeus.nsc.ru/partner/zarubin/waves.ssi, 2022).

4. Монография: «Абдулкеримов С.А., Ермолаев Ю.М., Родионов Б.Н. Продольные электромагнитные волны. Теория, эксперимент, перспективы применения. М.: МГУЛ (Московский государственный университет леса), 2003, -171с.

5. Книга 5. Часть 2-03: Колтовой Н.А. «Продольные волны» [Электронный ресурс]: Режим доступа (Koltovoy_prodolnye_volny.pdf-Adobe Reader, 2018.

6. Коробейников В. Новый вид электромагнитного излучения. [Электронный ресурс]: Режим доступа (http://www.n-t.ru/tp/ts/nv.htm-->src=”Новый вид электромагнитного излучения.files/top100.gif”.

7. Monstein C., Wesley J.P. Observation of scalar longitudinal electrodynamic waves// Europhgs. Lett. 59(4), p.514-520, 2002. [Электронный ресурс]: Режим доступа: www.trinitas.ru EUROPHYSICS LETTRS August 2002.rtf.

8. А.К. Томилин, А.Ф. Лукин, А.Н. Гуськов. Эксперимент по созданию канала радиосвязи в морской среде. Письма в ЖТФ, 2021, том 47, вып.11.

9. Харченко К.П., Патент РФ «Способ излучения продольных электромагнитных радиоволн и антенны для его осуществления», № 2310954 С1, кл. МКИ H 01 Q 13/00, 2007г.

10. А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, Антенно-фидерные устройства. - М.: Сов. Радио, 1961. – 815 с.: ил.

11. Патент США, «Antenna for Electron Spin Radiation», Robert T. Hart, Vladimir I. Korobejnikov, № 2007/0013595 А1, H01Q 11/12, 2007.

12. Коробейников В. Новый вид электромагнитного излучения. [Электронный ресурс]: Режим доступа (http://www.n-t.ru/tp/ts/nv.htm-->src=”Новый вид электромагнитного излучения.files/top100.gif”.

13. Патент США «Systems, Apparatuses, and Methods for Generating and/or Utilizing Scalar-Longitudinal Waves», US №9306527 В1, МКП: H03H 2/00, H01Q 1/36, H04B 13/02, 2016.

14. Кузнецов Ю.Н. Патент РФ № 2287212, «Устройство для излучения продольно-скалярных электромагнитных волн», кл. МКИ H 01 Q 13/02, 2006г.

15. Структурная схема радиостанции. [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://helpiks.org/7-54025.html.

16. Патент РФ «Дифференциальный фазовращатель», №2246780, МКП H01P 1/18, 2005г.

17. Cправочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств/ С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др: Под ред. В.И. Вольмана. – М.: Радио и связь, 1982. - 328 с., ил.

18. Конструирование экранов и СВЧ-устройств: Учебник для вузов/ А.М. Чернушенко, Б.В. Петров, Л.Г. Малорацкий и др.; Под ред. А.М. Чернушенко. – М.: Радио и связь, 1990. – 352 с.ил.

19. [Электронный ресурс]: Режим доступа: (https://referatbank.ru/referat/previem/11286/referat-prodolnye-elektromagnitnye-volny.html).

20. Кузнецов Ю.Н. Основы безвихревой электродинамики. Часть 1. Потенциальное магнитное поле. [Электронный ресурс]: Режим доступа (https://works.doklad.ru/view/AzEkARSX93E/all.html.

21. Кузнецов Ю.Н. Теория продольных электромагнитных полей (безвихревая электродинамика). // «Журнал Русской Физической Мысли» (ЖРФМ), 1995, № 1-6, стр.99-113.

22. Кузнецов Ю.Н. Основы безвихревой электродинамики. Часть 2. Продольные электромагнитные волны. [Электронный ресурс]: Режим доступа (HTTPS:// works.doklad.ru/view/V\vGwKpjuTSJY.html).

23. Кузнецов Ю.Н. Безвихревая электродинамика. Часть 3. Математическая модель. [Электронный ресурс]: Режим доступа (baza-referat.ru/ Безвихревая электродинамика математическая модель).

Данное изобретение относится к области радиотехники. Технический результат – расширение эксплуатационных возможностей радиостанции за счет осуществления радиосвязи на вихревых поперечно-векторных (ВПВ) линейно поляризованных электромагнитных волнах (ЭМВ) по первому каналу и радиосвязи на безвихревых скалярно-продольных (БВСП) неполяризованных ЭМВ по второму каналу, а также за счет переключения радиосвязи на раздельные антенны радиостанции. Такой технический результат обеспечивается за счет того, что к блоку двухканального антенного переключателя радиостанции, осуществляющей радиосвязь на ВПВ линейно поляризованных ЭМВ, подключены последовательно соединенные блок преобразователя, состоящий из делителя мощности, двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора и модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя, и экранированная антенна приема и передачи, которые осуществляют радиосвязь на БВСП неполяризованных ЭМВ. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Радиостанция, содержащая блок приемного канала, блок передающего канала, блок двухканального коммутатора приема-передачи с коаксиальным выходом, с коаксиальным входом антенну излучения и приема вихревых поперечно-векторных поляризованных электромагнитных волн, при этом входной канал блока приемного канала и выходной канал блока передающего канала подключены к первому и второму входным каналам блока двухканального коммутатора приема-передачи соответственно, отличающаяся тем, что выходной канал блока двухканального коммутатора приема-передачи с выходной вихревой поперечно-векторной неполяризованной электромагнитной волной типа - ТЕМ подключен к коаксиальному входному каналу введенного блока двухканального антенного переключателя, один выходной канал которого подключен к антенне излучения и приема вихревых поперечно-векторных поляризованных электромагнитных волн, другой выходной канал подключен к входному каналу введенного блока преобразователя вихревых поперечно-векторных неполяризованных электромагнитных волн типа - ТЕМ в безвихревые скалярно-продольные неполяризованные электромагнитные волны, при этом блок преобразователя выполнен в виде последовательного соединения модуля двухканального трехдецибельного делителя мощности вихревых поперечно-векторных неполяризованных электромагнитных волн типа - ТЕМ с развязанными выходными каналами, входной канал которого является входным каналом блока преобразователя, один и другой выходные каналы модуля двухканального трехдецибельного делителя мощности вихревых поперечно-векторных неполяризованных электромагнитных волн типа - ТЕМ подключены к входному опорному каналу и к входному противофазному каналу модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора соответственно, разность электрических длин опорного и противофазного каналов которого составляет 180°, при этом выходные опорный и противофазный каналы двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора с выходными вихревыми поперечно-векторными неполяризованными электромагнитными волнами типа - ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей опорного и противофазного каналов подключены к входным развязанным каналам двухканального по входу и одноканальному по выходу модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя соответственно, где входные вихревые поперечно-векторные неполяризованные электромагнитные волны типа - ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей преобразуются в безвихревую скалярно-продольную неполяризованную электромагнитную волну, при этом выходной канал модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя с безвихревой скалярно-продольной неполяризованной электромагнитной волной, являющийся выходным каналом блока преобразователя, подключен к введенной полностью экранированной монопольной антенне излучения и приема безвихревых скалярно-продольных неполяризованных электромагнитных волн, причем межблочные и межмодульные соединительные фидерные линии, блок двухканального антенного переключателя, модуль двухканального трехдецибельного делителя мощности, модуль двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора выполнены на экранированных линиях передачи волны типа - ТЕМ.

2. Радиостанция по п.1, отличающаяся тем, что в разрыв соединения одного и другого выходных каналов модуля двухканального трехдецибельного делителя мощности с входными опорным и противофазным каналами модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора включены модули импедансного согласования вихревых поперечно-векторных неполяризованных электромагнитных волн типа - ТЕМ соответственно, выполненные на экранированных линиях передачи волны типа - ТЕМ.

3. Радиостанция по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в разрыв соединения опорного и противофазного выходных каналов модуля двухканального проходного взаимного 180° дифференциального фазоинвертора с входными каналами модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя включены модули амплитудно-фазовой коррекции вихревых поперечно-векторных неполяризованных электромагнитных волн типа - ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей соответственно, выполненные на экранированных линиях передачи волны типа - ТЕМ.

4. Радиостанция по п.1, отличающаяся тем, что в разрыв соединения выходного канала модуля проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя с полностью экранированной монопольной антенной излучения и приема безвихревых скалярно-продольных неполяризованных электромагнитных волн включен проходной взаимный модуль поглощения апертурных вихревых поперечно-векторных неполяризованных электромагнитных волн типа - ТЕМ, выполненный на экранированной линии передачи волны типа - ТЕМ.

5. Радиостанция по п.1, отличающаяся тем, что в модуль проходного интерференционного полеволнового нуль-векторного преобразователя включены перестраиваемые реактивные элементы амплитудно-фазовой коррекции, обеспечивающие более полное преобразование вихревых поперечно-векторных неполяризованных электромагнитных волн типа - ТЕМ с противофазными и противонаправленными векторами напряженности электрических и магнитных полей в безвихревую скалярно-продольную неполяризованную электромагнитную волну.