Metoda de comunicare radio
Deținătorii brevetului RU 2446566:
Invenția se referă la comunicații radio în medii ionizate și poate fi utilizată pentru comunicații radio cu obiecte subacvatice. Rezultat tehnic realizabil - creșterea capacității informative a canalului de comunicare. Metoda de comunicație radio include modularea semnalului radio transmis și radiația acestuia de către o antenă, excitarea electrică a ionilor mediului de propagare a semnalului radio cu recepția ulterioară a semnalului de către o antenă de recepție radio și se caracterizează, de asemenea, prin faptul că semnalul radio este emis de mai multe antene plasate în jurul circumferinței, care sunt alimentate cu defazaj deplasat curenții electromagnetici, care radiază vectorul de radiație a curenților electrici de radiații și radiații electromagnetice. s și precesia axelor de rotație ale ionilor (dipolilor) mediului de propagare a undelor radio. 3 w.p. f-ly, 5 ill.
Invenția se referă la comunicații radio în medii ionizate și poate fi utilizată pentru comunicații radio cu obiecte subacvatice.
O metodă cunoscută de comunicație radio subacvatică, brevet românesc nr. 2117399 clasa H04B 31/00. Metoda presupune modularea printr-un semnal informativ si emisia de unde ultralungi de catre antena de transmisie, trecerea acesteia din urma prin mediul acvatic si receptia lor de catre antena de receptie. Principalele dezavantaje ale metodei sunt capacitatea informativă scăzută a canalului de comunicație și dimensiunea mare a antenelor utilizate. Aceste neajunsuri se datorează utilizării undelor ultralungi.
Cea mai apropiată ca esență tehnică și rezultatul obținut de metoda revendicată este metoda de comunicație radio subacvatică descrisă în jurnalul Navigație și timp, nr. 1, 2, Sankt Petersburg, 1993. - p. 20 - prototip. Metoda include modularea semnalului radio transmis și a radiației acestuia de către antena de transmisie, excitarea electrică a ionilor mediului de propagare a semnalului radio curecepția ulterioară a semnalului de către o antenă de recepție radio.
Principalul dezavantaj al prototipului este capacitatea informativă scăzută a canalului de comunicare. Dezavantajul se datorează necesității de a utiliza frecvențe ultra-joase ale semnalului radio, a căror modulare de mare viteză este imposibilă, ceea ce nu permite transmiterea unor cantități semnificative de informații. De aici capacitatea informativă scăzută a canalului de comunicare.
Problema tehnică care trebuie rezolvată prin invenţie este creşterea capacităţii informative a canalului de comunicaţie.
Pentru a rezolva problema într-o metodă de comunicație radio, incluzând modularea semnalului radio transmis și radiația acestuia de către o antenă de transmisie, excitarea electrică a ionilor mediului de propagare a semnalului radio, urmată de recepția semnalului de către antena de recepție radio, conform invenției, mai multe antene de transmisie sunt dispuse în jurul unui cerc și alimentate cu curenți defazați, care excită și precesiunea vectorului de precesiune a radiațiilor electromagnetice a câmpului electric al antenelor. ale axelor de rotație ale ionilor (dipolilor) mediului de propagare a semnalului radio.
Precesia vectorilor de ionizare ai ionilor (dipolilor) mediului de propagare se realizează printr-o defazare uniformă între curenții care circulă în antenele de transmisie uniform distanțate în jurul circumferinței.
În acest caz, defazarea curenților din antene poate fi efectuată atât la frecvența purtătoare a semnalului radio transmis, cât și la frecvența semnalului de modulație suplimentar. În acest caz, semnalul radio este recepționat la frecvența de modulare suplimentară.
Câmpul electromagnetic de precesare radiat de antena emițătoare excită precesia momentelor electrice ale ionilor mediului de propagare, care se transmite de la ion la ion până ajunge la antena de recepție. Deoarece energia costă pentru excitarea unui câmp electromagneticprecesia momentelor electrice ale ionilor este mult mai mică decât mișcarea ionilor înșiși, frecvența radio poate fi crescută semnificativ. Creșterea frecvenței purtătoare a semnalului radio vă permite să creșteți rata de transfer de date și capacitatea informativă a canalului de comunicație.
Utilizarea modulației suplimentare cu o frecvență mai mică decât frecvența purtătoare a semnalului radio pentru a obține precesiunea câmpului electromagnetic face posibilă creșterea frecvenței semnalului radio în raport cu frecvența precesiei și reducerea proporțională a dimensiunii antenelor de transmisie, menținând în același timp eficiența acestora.
Toate acestea împreună au făcut posibilă creșterea semnificativă a capacității informative a canalului de comunicație, creșterea razei acestuia și reducerea dimensiunii antenelor, fără a reduce eficiența acestora, ceea ce a dus la un efect tehnic și economic semnificativ.
Fig.1. Sistem de antenă alimentat cu defazaj.
Fig.2. Excitarea câmpului de precesiune.
Fig.3. Câmp de precesiune în planul normal cu vectorul E al semnalului radio.
Fig.4. Excitarea unui ion de către câmpul de precesare al unui sistem de antenă.
Fig.5. Interacțiunea câmpurilor de precesiune a momentelor electrice ale ionilor mediului de propagare a semnalelor radio în cazul dispunerii coincidente și ortogonale a vectorilor lor de ionizare.
Figura 1 prezintă un sistem de antenă care include trei antene A1, A2 și A3 distanțate uniform în jurul unui cerc, o sursă de energie electrică e(t) și două defazate φ1 și φ2 conectate între a doua și a treia antenă, în timp ce sursa de energie electrică este conectată la prima antenă.
Sistemul de antenă funcționează după cum urmează. Sub influența semnalului e(t), în antene vor fi excitate oscilații electrice cu frecvența semnalului de excitare. Deoarece oscilațiile electrice din fiecare antene vor diferi ca fază în plan,normal cu axele antenelor, va apărea un câmp de precesiune.
Apariția vectorilor electrici care excită câmpul de precesiune este prezentată în Fig.2. Aici, E1, E2 și E3 sunt vectori defazați ai componentei electrice a câmpului de radiație al antenelor A1, A2 și, respectiv, A3. E1-E2 și E2-E3 sunt vectorii electrici ai câmpului de radiație rezultat din defazarea dintre vectorii E1, E2 și E3 emiși de antenele A1, A2 și, respectiv, A3.
Figura 3 prezintă proiecția vectorilor componentei electrice a câmpului de radiație al antenelor pe un plan perpendicular pe direcția axelor acestora. Aici, A1, A2 și A3 sunt proiecțiile antenelor și proiecțiile vectorilor E1-E2 și E2-E3 pe planul indicat și Epr, câmpul de precesiune rezultat din defazarea.
Figura 4 prezintă efectul câmpului electromagnetic de precesare radiat de antene asupra momentului electric al ionului - dipol. Aici, γ este unghiul de precesie al vectorului intensității câmpului electric al ionului (dipol), sub influența câmpului de precesie Epr.
Fig.5 prezintă interacțiunea vectorului de precesare a momentului electric al ionului 1 cu ioni la aceeași aranjare 2 și ortogonală 3 a vectorilor momentelor lor electrice.
Ionii din electroliți au două tipuri de mișcare:
- mișcarea browniană haotică care apare ca urmare a efectelor temperaturii;
- rotație în jurul propriei axe - spin, datorită căruia ia naștere un moment electric și un vector de ionizare al moleculelor.
Încercările de a eficientiza mișcarea browniană a ionilor și de a o face sincronă cu radiația electromagnetică transmisă necesită cantități mari de energie și duc la pierderi semnificative ale semnalului radio. Prin urmare, metoda de comunicare radio este implementată după cum urmează. Folosind un generator de energie electrică e(t) (figura 1) la distanță uniformă în jurul circumferințeiantenele A1-A3 excită oscilații electrice cu o defazare relativă φ. O astfel de excitație duce la o diferență în amplitudinile vectorilor E și H emiși de antene în orice moment. Aceasta va da proiecția vectorilor E pe un plan perpendicular pe axele antenelor (figura 2) și va excita câmpul de precesiune Epr în acesta (figura 3). Câmpul circular de precesiune rezultat va forța vectorii E și H ai câmpului electromagnetic rezultat emis de antene la precesare.
Ca urmare a precesiunii, interacțiunea câmpului de radiație cu ionii mediului de propagare a semnalului radio în zonele de radiație apropiate și îndepărtate va fi diferită.
În zona apropiată, momentele electrice ale ionilor de soluție vor fi afectate atât de unda electromagnetică plană, cât și de câmpul de precesie. Ca urmare a acțiunii unei unde plane, momentele electrice ale ionilor (dipolilor) din zona apropiată de radiație vor fi orientate în direcția vectorului E. Orientarea lor va necesita eforturi semnificative, ceea ce va duce la pierderi semnificative de energie a undei plane. După cum rezultă din formulă
unde α este pierderea în dB/m, f este frecvența în Hz, σ este conductibilitatea apei în mho/m.
Limitele zonei apropiate sunt determinate de o sferă, a cărei rază depinde de adâncimea de penetrare a undei plane, determinată de grosimea stratului de piele, conform formulei
unde δ este grosimea pielii, π este numărul pi, f este frecvența, µ este permeabilitatea magnetică și σ este conductivitatea mediului de propagare a semnalului radio.
Astfel, în zona apropiată, a cărei rază depinde de adâncimea stratului de piele, se va propaga o undă plană cu pierderi determinate de formula (1). Această undă nu este potrivită pentru comunicațiile radio subacvatice din cauza pierderilor semnificative. Utilitatea sa pentru organizarea comunicațiilor radio este aceea că în câmpul apropiat o undă plană va orienta un număr mare de dipoli ionici îndirecția vectorului E și toate vor avea o precesie de momente electrice sincronă cu semnalul emis.
În afara zonei apropiate, momentele de dipol ale ionilor excitați de antene vor interacționa, la rândul lor, cu ionii din zona îndepărtată cu o forță determinată de legea lui Coulomb.
unde F este forța de interacțiune dintre sarcinile ionice, q1 și q2 sunt sarcinile ionilor, ε este permisivitatea mediului de propagare a semnalului radio, r este distanța dintre ioni.
Distanța de interacțiune dintre ioni va depinde de forța necesară pentru a excita precesia momentelor lor dipol și de orientarea lor reciprocă. Dacă direcțiile vectorilor de polarizare electrică ai ionilor coincid, această distanță va fi maximă (dipolii 1 și 2 din Fig.5). Pe măsură ce unghiul dintre ele crește, distanța de interacțiune va scădea rapid, iar cu o aranjare ortogonală a vectorilor de polarizare electrică, interacțiunea ionilor va tinde spre zero (dipolii 1 și 3 în Fig.5). În plus, precesia va fi transmisă de la ion la ion până când ajunge la antena de recepție și excită oscilații electrice în ea, sincron cu semnalul transmis.
Raza de comunicare radio în metoda propusă crește semnificativ din următoarele motive:
- pentru a excita precesia momentelor electrice ale ionilor este nevoie de mult mai putina energie decat pentru a excita oscilatii ale ionilor cu frecventa semnalului transmis. O moleculă ionizată poate fi privită ca un giroscop care se rotește în jurul unei axe formate de vectorul electric al ionului. Din mecanici se știe că giroscopul este foarte rezistent la păstrarea planului de rotație și sunt necesare eforturi semnificative pentru a-l schimba. Cu toate acestea, nu este dificil să forțați axa de rotație să preceadă cu șocuri periodice ușoare;
-precesia este excitată în principal în ioni de același tip cu vectori ai momentelor electrice orientați în mod egal. Consumul de energie pentru excitarea ionilor rămași este minim. Acest lucru reduce numărul de ioni excitați și, în consecință, consumul de energie și pierderea semnalului radio.
- Energia de precesie se poate acumula. Prin urmare, amplitudinea precesiei ionului excitat va crește până când energia acestuia atinge nivelul energetic al ionului excitator. Și așa mai departe pe tot circuitul, de la antena de transmisie la cea de recepție.
În metoda propusă, comunicarea radio se realizează în două etape.
În zona apropiată, unda plană emisă orientează momentele dipolare electrice ale ionilor în direcția vectorului său electric. Aceasta asigură sincronizarea precesiei axelor de rotație a unui număr mare de ioni din zona apropiată și interacțiunea sincronă a acestora cu dipolii din afara zonei apropiate. Aici se termină funcțiile de undă plană.
În afara zonei apropiate, precesia este transmisă de la ion la ion prin forțele interacțiunii electrice până ajunge la antena de recepție. În acest caz, sunt excitați în principal ionii de același tip cu vectori orientați identic ai momentelor dipolare. Prin urmare, în afara zonei apropiate, energia semnalului radio este cheltuită foarte economic, iar raza de comunicare crește semnificativ. O astfel de organizare a comunicațiilor radio permite să fie efectuată la frecvențe mai mari și să-și mărească semnificativ capacitatea informativă și rata de transfer de date.
Precesia vectorilor câmpului electromagnetic emis de sistemul de antenă poate fi excitată atât la frecvența purtătoare, cât și la frecvența de modulație suplimentară. Utilizarea vectorilor de momente dipol a ionilor de modulație suplimentari pentru excitația de precesie, cu o frecvență sub frecvența purtătoare, face posibilă creștereafrecvența purtătoare, reduc dimensiunea antenelor și măresc eficiența acestora. În acest caz, semnalul radio este recepționat la frecvența de modulare suplimentară.
Toate acestea împreună oferă un efect tehnic și economic semnificativ din utilizarea metodei propuse de comunicație radio.
1. Metodă de comunicație radio, care include modularea unui semnal radio transmis și radiația acestuia de către o antenă de transmisie, excitarea electrică a ionilor mediului de propagare a semnalului radio, urmată de recepția semnalului de către o antenă de recepție radio, caracterizată prin aceea că semnalul radio este emis de mai multe antene amplasate în jurul circumferinței, care sunt alimentate cu defazaj deplasat curenții electrici, care excită vectorul și precesiunea electromagnetică a antenei și a câmpului electromagnetic al antenei. precesia axelor de rotație ale ionilor (dipolilor) mediului de propagare a semnalului radio.
2. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că antenele sunt uniform distanţate de-a lungul circumferinţei şi alimentate cu semnale electrice cu o defazare uniformă a curenţilor din antene.
3. Procedeu conform revendicării 1 sau 2, caracterizat prin aceea că defazarea curenţilor din antene se realizează la frecvenţa purtătoare a semnalului radio.
4. Procedeu conform revendicării 1 sau 2, caracterizat prin aceea că semnalul radio este modulat suplimentar, iar defazarea curenţilor electrici din antenele de transmisie se realizează la frecvenţa de modulaţie suplimentară, în timp ce semnalul radio este recepţionat la frecvenţa de modulaţie suplimentară.