Способ возбуждения сегнетоэлектрической антенны и ее устройство
Иллюстрации
Показать всеИзобретение относится к технике радиопередающих и радиоприемных устройств электромагнитного излучения, в частности к приемным и передающим антеннам широкополосного диапазона с большим усилением. Техническим результатом является создание антенны с высоким коэффициентом усиления при приеме и передаче радиосигнала, расширение интервала частоты регистрации радиосигнала. Технический результат достигается тем, что сегнетоэлектрическая антенна содержит цилиндрический объем из сегнетокерамики, управляющие сетчатые электроды на торцевых плоскостях цилиндрического объема и внешний источник постоянного напряжения, при этом цилиндрический объем антенны выполнен из чередующихся сегнетокерамических и ферритодиэлектрических пластин, при этом на плоские торцы каждого из вибраторов из сегнетокерамики нанесен управляющий электродный слой, при этом все вибраторы в пакете соединены между собой управляющими электродами, сердечник выполнен из металлического витка провода и жестко установлен в центральном отверстии пакета вибраторов и соединен своими концами к приемно-передающему устройству, а внешний источник постоянного напряжения подсоединен к вибраторам или к управляющим электродам, при этом при приеме возбуждают антенну индуцированием поверхностных зарядов поляризации в каждом вибраторе в сегнетофазе внешним электромагнитным полем слоистого пакета, и теми же зарядами поляризации возбуждают высокочастотное вторичное электромагнитное поле, которым индуцируют высокочастотные токи в сердечнике, выполненном в виде металлического витка, и таким образом, увеличивают коэффициент усиления приемного сигнала пропорционально числу вибраторов в слоистом пакете, площади вибратора, величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин, величине индуктивности пакета вибраторов из сегнетокерамики, волновому сопротивлению пакета, числу витков в сердечнике и индуктивности сердечника, а увеличение мощности радиосигнала при передачи получают, когда антенну возбуждают высокочастотными токами в металлическом витке и тем самым возбуждают высокочастотные электрические поля поверхностных зарядов поляризации вибраторов в сегнетофазе и излучают в пространство, получая таким образом вторичное электромагнитное поле, мощность которого также пропорциональна числу вибраторов в слоистом пакете, площади вибратора, величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин, величине индуктивности пакета вибраторов из сегнетокерамики, волновому сопротивлению пакета, числу витков сердечника и индуктивности сердечника. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Реферат
Изобретение относится к технике радиопередающих и радиоприемных устройств электромагнитного излучения, в частности к приемным и передающим антеннам широкополосного диапазона с большим усилением (20-40 Дб), как в сантиметровом и дециметровом диапазоне, так и длинноволновом диапазоне (1-10 м и более метров), и малыми размерами (1-2 см). Изобретение предназначено для создания радиоэлектронного устройства, которое может быть использованы в качестве многоканальной телевизионной антенны для приема и передачи телевизионных станций на Земле, со спутников и в космосе на промышленных, военных и бытовых телевизионных устройствах, а также в мобильных и сотовых телефонах. Использование такой антенны во всех этих устройствах увеличит плотность потока передающей и принимающей информации, так как увеличивается область передачи данной информации не только в аудиодиапазоне, но в видиодипазоне. При современной цифровой обработке информации предлагаемая антенна позволяет передавать и принимать информацию на мобильных и сотовых устройствах не только в виде звука, но и в виде изображения.
Перечисленные параметры антенны в предлагаемом изобретении могут быть осуществлены при условии использовании материала из нелинейного диэлектрика с очень большой величиной коэффициента восприимчивости, которая имеет зависимость от напряженности падающего электрического поля, с большой частотой переключения величины поляризуемости для переменных полей малой напряженности в области нормальных температур окружающей среды и создает за счет поляризации диэлектрика вторичное внешнее электрическое поле.
Современная передающая телевизионная антенна является вибратором, которая преобразует энергию токовых колебаний высокой частоты свободных зарядов в проводнике, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых электромагнитных волн. Преобразование основано на том, что переменный электрический ток является источником электромагнитных волн. Приемная антенна как вибратор выполняет и обратную функцию, т.е. преобразует энергию распространяющихся электромагнитных волн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приемника в токовые колебания свободных зарядов. При этом вибраторы электромагнитных волн представляют собой двух типов: электродипольные и магнитодипольные. В соответствии с этим построение современных антенн базируются на теории излучения элементарного электрического или магнитного вибраторов. Под элементарным электрическим вибратором подразумевают проводник, длиной во много раз меньшей длины излучаемой волны, обтекаемый током высокой частоты с одинаковой амплитудой и фазой на всей его длине. Под элементарным магнитным вибратором подразумевается виток из проводника диаметром меньше длины излучаемой волны. Для телевизионного приема используются антенны, построенные в соответствии с этими физическими законами. Прием телевизионных передач ведется на симметричный вибратор, антенна, типа "волновой канал" и др. Телевизионные антенны передающие и приемные являются антеннами метрового и дециметрового диапазонов. Передающие телевизионные антенны обычно выполняют в виде системы горизонтальных симметричных вибраторов; расположение и схема питания вибраторов определяют форму диаграммы направленности (ДН) и величину коэффициента усиления (КУ) антенны. Если размеры поперечного сечения опоры антенны сравнительно невелики и требуется КУ не свыше нескольких единиц, то в метровом диапазоне применяют телевизионные антенны турникетного типа. В остальных случаях применяют преимущественно телевизионные антенны панельного типа, собираемые из отдельных панелей (образованных вибраторами и рядом вспомогательных элементов), которые в зависимости от требуемой формы ДН располагаются (по контуру поперечного сечения опоры) равномерно или неравномерно и излучают радиоволны синфазно или с определенными фазовыми сдвигами. Характерные размеры телевизионных антенн в виде систем вибраторов имеют не менее метра и обычно ставятся на большой высоте для нормального приема или передачи.
Основным материалом используемых при изготовлении всех антенн, в том числе и телевизионных, является металл, так как электрический вибратор должен обладать высокой проводимостью, чтобы возбудить в таком вибраторе электрический ток, являющийся источником электрических и магнитных полей. Однако для уменьшения характерных размер и увеличения выходных параметров антенны в современных антеннах используются диэлектрические материалы с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости. Так, например, диэлектрическая антенна представляет собой диэлектрический стержень, в котором возбуждение электромагнитных волн производится металлическим радиоволноводом или металлическим штырем коаксиального кабеля. В стержне диэлектрической антенны возбуждается волна особой структуры (так называемая поверхностная волна), распространяющаяся вдоль его оси, и, как следствие, на поверхности стержня возникают тангенциальные (касательные к поверхности) составляющие электрического и магнитного полей, фаза которых меняется по закону бегущей волны. По существу диэлектрическая антенна представляет собой антенну бегущей волны, состоящую из элементарных электрических и магнитных вибраторов. Ее максимум излучения, как и всякой антенны бегущей волны, совпадает с осью стержня. Характер излучения диэлектрическая антенна зависит от фазовой скорости распространения поверхностной волны. С увеличением диаметра стержня и диэлектрической проницаемости материала, из которого он выполнен, фазовая скорость уменьшается. Чем меньше фазовая скорость, тем больше длина стержня, при которой коэффициент направленного действия (КНД) антенны максимален (так называемая оптимальная длина), и больше максимально возможный КНД. Стержень диэлектрической антенны изготовляют из диэлектрических материалов с малым затуханием электромагнитных волн в них, т.е. с малыми диэлектрическими потерями. Диэлектрическую антенну применяют преимущественно на летательных аппаратах в радиоустройствах, работающих на сантиметровых и дециметровых волнах. Для таких же целей в современных антеннах используют материалы с высокой магнитной восприимчивостью. Такие антенны называются ферритовыми или магнитными антеннами. Высокая магнитная восприимчивость ферритов позволяет изготовлять ферритовые антенны с размерами, существенно меньшими, чем у обычной (без сердечника) рамочной антенны, при одинаковых индуктируемых в них эдс. Магнитная антенна представляет собой рамочную антенну (обычно многовитковая) с сердечником из магнитного материала. В качестве магнитных материалов чаще всего используют магнитодиэлектрики или ферриты (ферритовая антенна). Магнитные антенны применяются преимущественно для приема радиоволн в радиопеленгации, радионавигации и особенно широко - в малогабаритных радиовещательных приемниках. Диаграмма направленности их такая же, как у обычной рамочной антенны. Рамка магнитной антенны, обычно подключается к конденсатору переменной емкости, образуя на входе приемника настраиваемый на рабочую длину волны параллельный резонансный контур. При больших мощностях электрических колебаний (например, в режиме передачи) в сердечнике магнитной антенны возбуждается сильное электромагнитное поле. Сердечник магнитной антенны выполняется в виде сплошного стержня либо, при больших ее размерах, набирается из отдельных секций. Внесение сердечника внутрь рамки (обмотки из проводника тока) увеличивает индуктируемую в рамке эдс в N раз, сопротивление излучения в N2 раз, а индуктивность рамки примерно в N раз. Значение N зависит от эффективного значения магнитной проницаемости сердечника, зависящее от начальной магнитной проницаемости материала сердечника и отношения его длины к радиусу, радиуса сердечника и радиуса рамки. Магнитные моменты доменов складываются, и общая величина напряженности индуцированного магнитного поля становится больше, чем напряженность магнитного поля волны. Именно такая антенна (магнитная антенна) может использоваться при сотовой связи, которая обеспечивает хорошие приемопередающие характеристики связи даже для очень малых токовых сигналов. Однако для таких антенн существуют ограничения по приему и передачи электромагнитных волн по длине волны. Для диэлектрической ферритовой антенны принимаемая длина волны может быть больше характерного размера самой антенны, но не на очень много. В такой антенне величина магнитной проницаемости хотя и велика и достигает нескольких сот, но даже при такой величине проницаемости длина принимаемой волны уменьшается только в десятки раз. Кроме того, площадь сечения такой антенны в десятки раз меньше площади воспринимаемого потока излучения, а следовательно, принимаемый сигнал уменьшится по энергии во столько же раз. Наряду с положительным эффектом увеличения эдс введение сердечника в рамку сопровождается увеличением тепловых потерь в ней, вызванных наведенными в сердечнике токами проводимости и потерями на гистерезис. Потери, как правило, больше при использовании материалов с высокими значениями магнитной проницаемости и растут с укорочением длины принимаемой волны.
Использование таких материалов, как диэлектрические и магнитные материалы с высокими диэлектрическими и магнитными проницаемостями, в построении телевизионных антенн позволяют уменьшить их характерные размеры до десятков сантиметров при условии сохранения всех остальных начальных выходных параметров антенны.
В отличие от диэлектрической ферритовой среды с большой магнитной проницаемостью существуют нелинейные диэлектрические среды с очень большой диэлектрической проницаемостью. При этом диэлектрическая проницаемость в таких нелинейных средах зависит от напряженности внешнего электрического поля, частоты переключения и температуры. Такие диэлектрики называются нелинейными. В таких средах также существуют домены из диполей, но не магнитных, а электрических. Под действием внешнего электрического поля электрические домены разворачиваются в направление поля и создают на поверхности таких диэлектриков поверхностные заряды, которые в свою очередь создают внешние электрические поля, по величине превышающие электрические поля, их вызывающие. При этом внутри диэлектриков поле становится равным нулю, так как при суммировании полей каждого домена, направленных по внешнему полю поля отрицательных зарядов, складываются с полями положительных зарядов. В отличии от них в магнитных диэлектриках (диэлектрических ферритов) магнитные поля всех доменов при суммировании создают общее магнитное поле, которое и создает эффект усиления в ферритовых антеннах. До настоящего времени в диэлектрических антеннах в основном использовалась диэлектрическая среда в качестве формирования фазовой скорости электромагнитной волны и направленности излучения. Кроме того, увеличение проницаемости приводит к увеличению коэффициента преломления для распространяющейся волны в такой среде. Такое свойство действия диэлектрической среды использовалось для создания таких типов антенн, как линзовая антенна, антенна бегущей волны, рупорная антенна и диэлектрическая антенна. В последней диэлектрической антенне это свойство среды использовалось для преобразования большей длины волны в меньшую длину, т.е. вести прием длинноволнового диапазона антенной малого размера. Такие антенны можно использовать в мобильной сотовой связи. В основном связь в сотовых телефонах ведется в дециметровом диапазоне. Поэтому для уменьшения размеров антенн до величин порядка одного сантиметра можно использовать такие нелинейные диэлектрические материалы с большими величинами проницаемости и зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, частоты переключения и температуры. Вещества с такими свойствами называются сегнетоэлектрики или антисегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрики оказываются поляризованными даже в отсутствие электрического поля. Такая поляризация называется спонтанной, так как эти кристаллы испытывают фазовые превращения, переходя в новые кристаллические модификации. От обычных диэлектриков сегнетоэлектрики отличаются тем, что направление спонтанной поляризации у них может быть изменено на противоположное уже слабым внешним электрическим полем. Существуют сегнетоэлектрики с одной полярной осью (сегнетова соль) и с несколькими полярными осями (титанат бария). Кристаллическая модификация, в которой сегнетоэлектрик спонтанно поляризован, называется полярной фазой (сегнетофазой), а модификация, у которой спонтанной поляризации нет, - неполярной фазой. Температура, при которой диэлектрик переходит из неполярной фазы в полярную или наоборот называется диэлектрической точкой Кюри. Диэлектрические проницаемости сегнетоэлектриков в полярной фазе аномально велики. Для сегнетовой соли в максимуме ε=10000, для титаната бария - ε=9000. Соответственно коэффициент восприимчивости такого диэлектрика сравним с коэффициентом диэлектрической проницаемости и зависит от величины внешнего электрического поля. В неполярной фазе у сегнетоэлектрика поляризация пропорционально электрическому полю, в сегнетофазе нелинейно зависит от напряженности электрического поля. Сегнетоэлектрик самопроизвольно делится на области, называемые электрическими доменами. Размер областей спонтанной поляризации определяется минимумом полной энергии сегнетоэлектрика, состоящей из трех частей: энергии внешнего электрического поля, суммы внутренней энергии всех доменов и поверхностной энергии на границе раздела доменов.
До настоящего времени использование таких материалов для построения антенн сводилось только для уменьшения размеров антенны при сохранении первоначальных выходных параметров антенн. В данном патенте рассматриваются и другие возможности нелинейного диэлектрика, а именно эффект усиления падающего поля при его рассеянии в нелинейной среде. Электрическое поле поляризации вне такого диэлектрика по величине напряженности оказывается больше напряженности электрического поля, его вызывающего. Наиболее подходящими сегнетоэлектриками для использования при построении антенны являются сегнетоэлектрики с электронно-релаксационной поляризацией. Такая поляризация характерна для твердых диэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы, способные захватывать электроны. Такие захваченные на "ловушках" электроны или дырки при отсутствии электрического поля могут под действием тепловых флуктуации переходить из одного вероятного положения в другое. При этом суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика будет равен нулю. Во внешнем электрическом поле такие переходы будут осуществляться преимущественно в направлении поля и в объеме диэлектрика индуцируется электрический дипольный момент, т.е. будет происходить поляризация. Время релаксации данного механизма поляризации при комнатной температуре 10-2-10-9 c. При таком интервале времени релаксации частота переключения электрического поля порядка сотен ГГц, что вполне соответствует частотному диапазону антенны при приеме и передачи сигнала. Этот вид поляризации существенную роль играет в поликристаллической керамике типа рутила TiO2, перовскита CaTiO2, TiBaO3, в керамических материалах, изготовленных на основе сложных оксидов титана, циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута, имеющих важное техническое значение.
Антенна из сегнетоэлектрика представляет собой вибратор, аналогичный обычному электродипольному вибратору современных антенн. Отличие только в том, что в обычной антенне внешним переменным электрическим полем индуцируется переменный ток свободных зарядов, а вибратором из сегнетоэлектрика под действием внешнего переменного электрического поля в пространстве вокруг антенны индуцируется переменное электрическое поле связных зарядов поляризованного диэлектрика, т.е. отличительной особенностью в данном случае является то, что напряженность падающего электрического поля преобразуется в переменное электрическое поле связных зарядов, индуцируемых в антенне. При этом напряженность индуцируемого переменного электрического поля связных зарядов в силу нелинейного характера зависимости коэффициента восприимчивости от внешнего поля на порядки, а то и на несколько порядков, превышает напряженность внешнего переменного электрического поля. Такой вибратор аналогичен вибратору ферритовой антенны. Принципиально новым теперь является то, что вместо магнитного поля суммируемых магнитных диполей феррита используется электрическое поле суммируемых электрических диполей сегнетоэлектрика. Переменное магнитное поле ферритовой антенны индуцирует переменный ток свободных зарядов в металлической рамке антенны, который регистрируется как радиосигнал, поступающий на антенну. Переменное электрическое поле связных зарядов поляризации сегнетоэлектрика сегнетоэлектрической антенны в соответствии с законами Максвелла индуцирует вихревое магнитное поле, которое также наводит в металлическом проводе витка переменный ток свободных зарядов. Естественно, что такой ток также воспринимается как радиосигнал, поступающий на сегнетоэлектрическую антенну. Принципиально новым эффектом является также то, что радиосигнал, регистрируемый данной антенной, возникает в результате рассеяния падающей электромагнитной волны на нелинейной диэлектрической среде антенны, а не в результате наведения электромагнитного поля в сегнетоэлектрической антенне, как это имеет место для обычных антенн. Отсюда получаем новые конструктивные особенности такой антенны и качественные параметры антенны. Из качественно физических соображений видно, что чем больше поперечная площадь такой антенны, тем больше величина напряженности переменного электрического поля поляризации сегнетоэлектрика, так как напряженность поля в данном случае определяется коэффициентом поверхностного заряда. Толщина антенны практически не влияет на изменение величины напряженности поля поляризации. Поэтому такая антенна по толщине может быть как угодно тонкой, но такой толщины, чтобы сохранились все свойства сегнетоэлектрика. В экспериментах при исследовании свойств сегнетоэлектриков толщина берется равной десяткам микрон. Таким образом, конструктивно такая антенна представляет собой цилиндр, у которого толщина на много меньше радиуса. Для увеличения площади антенны, а следовательно, для увеличения приемного сигнала антенны, что определяется величиной напряженности поля поляризации связных поверхностных зарядов, такие цилиндры из сегнетоэлектрика собираются в виде пакета из сегнетокерамических пластин. При этом между каждым таким цилиндром располагается тонкий цилиндр из обычного диэлектрика или из магнитного диэлектрического феррита с большой магнитной проницаемостью. Такая сборная антенна будет обладать не только большой диэлектрической проницаемостью, но и магнитной проницаемостью, что приведет к очень сильному уменьшению длины бегущей волны в такой среде, состоящей из множества сегнетоэлектрических вибраторов. Общая площадь этих вибраторов подбирается так, чтобы коэффициент усиления такой антенны соответствовал коэффициенту усиления телевизионной параболической антенне метрового диаметра. Кроме того, за счет магнитной проницаемости еще больше возрастет эдс в витке металлического провода, в котором индуцируется переменный ток свободных зарядов. Для регистрации радиосигнала металлический виток провода пропускается через все сегнетоэлектрические вибраторы так, чтобы вихревое магнитное поле охватывало проводник, в котором индуцируется переменный ток свободных зарядов. Принципиально новым в конструкции антенны является то, что приемное устройство антенны состоит из диэлектрической части, а не из металлической, как в обычных антеннах. Конструктивной особенностью антенны является также то, что она собирается в виде пакета из сегнетоэлектрических вибраторов, а радиосигнал регистрируется витком металлического провода, который пропускается через сквозные отверстия в сегнетоэлектрических вибраторах, тогда как в обычных ферритовых антеннах металлический провод надевается на ферритовый сердечник. Имея общий размер порядка 1х1 см2, сборная сегнетоэлектрическая антенна в соответствии с расчетами по своим параметрам превосходит самые лучшие современные антенны. В силу большого интервала частоты переключения материала из сегнетоэлектрика такая антенна обладает широкой полосой приема и при малой ширине настройки сигнала может настраиваться на очень большое число каналов телевизионных передач. Все необходимые параметры и конструкция данного устройства, при которых осуществляется процесс рассеяния электромагнитной падающей волны на нелинейной среде, регистрации и усиления радиосигнала на сегнетоэлектрической антенне, определяются и рассчитываются на основе экспериментальных данных по взаимодействию электромагнитного излучения с нелинейными средами и современных теоретических результатов в квантовой теории физики твердого тела по сегнетоэлектрикам, нелинейной электродинамики и радиоэлектронике.
Известен способ регистрации радиосигналов при взаимодействии электромагнитных волн с сегнетоэлектрической телевизионной антенны (Салтыков В.П, Карпунин Г.А, Корнеев А.Ю RU №2138102, МПК Н 01 Q 19/09, 1998), который включает индуцирование высокочастотного тока в металлическом сердечнике вибратора внешним электромагнитным полем, возбуждение в цилиндрическом объеме сегнетокерамики в сегнетофазе поверхностных зарядов поляризации, индуцирование в окружающем пространстве при передачи и возбуждение в том же цилиндрическом объеме при приеме вторичного электромагнитного поля для точной настройки и перестройки антенны на другие диапазоны частот за счет взаимодействия электромагнитной волны с нелинейными диэлектрическими средами. Антенна создана из композиционного материала, в объеме которого длина волны электромагнитного излучения уменьшается. Принципиально новый подход к решению проблемы - керамический нанокомпозитный материал, в котором эти волны укорачиваются. Он состоит из множества дипольных ячеек, имеющих микро- и наноразмеры. Их можно представить как сжатые пружины с энергетическим потенциалом, которые способны реагировать на малейшие изменения электромагнитного излучения. Для точной настройки антенны на частотный сигнал в заданном частотном диапазоне используются резонансные свойства антенны, состоящей из цилиндрического объема сегнетокерамики с управляющими электродами, которые подсоединены к источнику питания постоянного напряжения. Под действием напряженности электрического поля источника диполи сегнетокерамики разворачиваются в направление действующего поля и при воздействии внешнего высокочастотного электромагнитного радиосигнала создают высокочастотную поляризацию, которая в свою очередь индуцирует высокочастотные токи зарядов поляризации цилиндрического тела, являющиеся источниками высокочастотного вторичного электрического поля. При совместном действии полей радиосигнала и вторичного высокочастотного поля на металлический вибратор антенны амплитуда приемного сигнала возрастает при совпадении фазы этих двух полей для данной частоты и в антенне создается условие резонанса. Для совпадения фазы двух полей производится изменение величины напряжения постоянного источника питания так, чтобы наступило это условие резонанса. Естественно, что такой эффект настройки на резонансную частоту не изменяет размер антенны, увеличивает КПД антенны и уменьшает величину диэлектрических потерь в сегнетокерамической среде цилиндрического тела антенны. Такой способ используется в телевизионной антенне НПП «БИСИМ».
Известно устройство сегнетоэлектрической антенны (Салтыков В.П, Карпунин Г.А, Корнеев А.Ю RU №2138102, МПК Н 01 Q 19/09, 1998), содержащая цилиндрический объем из сегнетокерамики, центральный металлический вибратор в виде стержня, управляющие сетчатые электроды на торцевых плоскостях цилиндрического объема и внешний источник постоянного напряжения. Телевизионная антенна НПП «БИСИМ», сделана из керамического композиционного материала с нелинейными свойствами, диаметром всего 6 см и толщиной 2,8 см. Для управления антенной при переключении на различные телевизионные каналы и точной настройки на частотный диапазон к торцам цилиндрического объема сегнетокерамики прикреплены управляющие электроды. Концы электродов подсоединены к источнику постоянного напряжения. Металлический сердечник вибратора, вставленный в середину цилиндрического объема сегнетокерамики, подсоединяется на вход приемного устройства. Антенна ловит телевизионные программы и в метровом, и в дециметровом диапазоне. С его помощью можно в десятки раз уменьшить и размеры параболических антенн, принимающих информацию со спутников. Используемые диэлектрические композиционные материалы действительно имеют уникальные физические особенности. Налажено производство антенн для приема телепередач в метровом и дециметровом диапазоне. Разработка антенны телевизионной диэлектрической MB и ДМВ диапазонов малогабаритной велась в рамках проекта «Антенны нового поколения из композиционных материалов с особыми электрофизическими свойствами, малогабаритные, различного назначения». Целью разработки антенны являлось создание принципиально новой модели, габариты и масса которой многократно уменьшены в сравнении с традиционными вариантами антенн. В основе данной разработки лежит использование свойств специально разработанных композиционных материалов с особыми волновыми и электрическими свойствами. Новый подход к физическому процессу приема и передачи электромагнитных волн основан на теории сокращения длины электромагнитной волны в объеме композиционного материала, использование композиционного материала в качестве активного элемента антенно-фидерного устройства, обладающего энергетическим потенциалом. Антенна представляет из себя "таблетку" диаметром 6,5 см и толщиной 2,8 см. Антенна предназначена для приема всех ТВ-каналов в метровом и дециметровом диапазоне (с 1 по 69). Качество приема сигнала, при размерах антенны в разы меньше аналогов, не уступает "большим" традиционным антеннам. Отличительные особенности антенны - уменьшение линейных размеров в сравнении с обычными антеннами в 10-20 раз, уменьшение собственных шумов антенны в сравнении с обычными антеннами, возможность работы антенны на отраженной волне, экологическая чистота антенны, универсальность антенны, скрытность установки антенны, предотвращение многих помех, вызванных посторонними излучателями электромагнитных волн, использование в качестве радиовещательной антенны, снижение энергетики радиоканала.
Известный способ просматривается в данном патенте по устройству сегнетоэлектрической антенны. Основное замечание к авторам патента связано с тем, что ими не оформлен и соответственно не опубликован патент на способ по точной настройке и перестройки антенны на другие диапазоны частот с использованием процессов распространения электромагнитных волн в нелинейных диэлектрических средах. Данный способ не может обеспечить достаточно сильное усиление радиосигнала, так как регистрация такого сигнала в антенне производится за счет наведенного напряжения в среде антенны на металлическом вибраторе, которое индуцируется падающим электромагнитным полем. Емкость такой антенны определяется величиной диэлектрической проницаемости нелинейной среды. Действительная часть наведенного напряжения в антенне обратно пропорциональна емкости и прямо пропорциональна сопротивлению нелинейной среды. При малых значениях напряженности падающего электрического поля диэлектрическая проницаемость среды становится очень большой и в силу этого величина наведенного напряжения становится очень маленькой. Кроме того, сопротивление композиционного материала очень велико, что приводит к сильному уменьшению наведенных токов в антенне. Таким образом, и по напряжению и по току большого усиления при таком способе достичь достаточно сложно. Для создания необходимой величины напряженности постоянного электрического поля в сегнетокерамической среде цилиндрического тела антенны, а оно достигает величины порядка 0,4 кВ/мм, что соответствует напряжению источника питания 1,3 кВ на толщине сегнетокерамики в 3 см, необходимо отдельное электронное устройство в виде высоко высоковольтного высокостабилизированного источника питания, амплитуда флуктуации которой не должна превышать амплитуды радиосигнала, которая по напряжению имеет величину порядка 10 мкВ, что довольно проблематично для осуществления. Кроме того, использование управляющих металлических электродов, которые наносятся на поверхности цилиндрического тела, даже если они сетчатые, экранируют от воздействия радиосигнала как вибратор, являющийся сердечником антенны расположенного в центре цилиндрического тела, так и цилиндрический объем сегнетокерамики, для длин волн, используемых в телевидении. Необходимо также заметить, что с увеличением напряженности электрического поля, которое создается в сегнетокерамике постоянным источником напряжения, диэлектрическая проницаемость уменьшается по закону 2/3, а соответственно, ухудшается условие для сегнетофазового перехода в сегнетокерамике и, как следствие, условие режима резонансной настройки антенны.
В известном устройстве используется только один диск из нелинейного диэлектрика толщиной 3 см. Это означает, что сечение такой антенны на много меньше сечения потока падающего излучения и тем самым сильно уменьшает величину приемного сигнала по мощности. Величина поверхностного заряда, которая индуцируется на поверхности диэлектрика, в принципе, не зависит от поперечного размера диска, а только от площади торцовой поверхности, т.к. диэлектрик из сегнетоэлектрика является анизотропным и поляризационными свойствами обладает только в определенном направлении. В данном случае вдоль оси диска наиболее оптимальное направление. Таким образом, толщина диска может быть достаточно малой, например не более десятой доли мм и не менее 10 мкм, и можно сделать набор из очень большого количества таких дисков, чтобы увеличить мощность приемного радиосигнала. Рассмотренная конструкция соответствует электродипольному типу антенн с резистором в витке и с дополнительным электрическим сигналом. Приемный радиосигнал в антенне снимается с вибратора в виде металлического сердечника, находящегося в центре цилиндрического тела сегнетокерамики антенны, в котором наводятся высокочастотные токи от двух источников: внешнего электромагнитного поля радиосигнала и электрического поля, индуцированного в сегнетокерамики внешним электромагнитным полем за счет поляризации при подпитки постоянным источником напряжения. В силу этого усиление антенны происходит только за счет того, что цилиндрический объем из сегнетокерамики играет роль рупора для фокусировки высокочастотного электрического поля вблизи металлического вибратора. Схематически антенна представляет собой электронную эквивалентную схему с конденсатором, на котором возникают поверхностные заряды, индуцирующие в свою очередь свободные заряды в проводнике электродов, сопротивлением вибратора и волнового сопротивления антенны в присутствии сегнетоэлектрика и источника постоянного питания. При тех величинах полей электрического поля от постоянного источника питания, которые используются для настраивания антенны на частотный диапазон, величина усиления антенны уменьшается, т.к. диэлектрическая восприимчивость сегнетокерамиики имеет в основном обратную зависимость от величины внешнего электрического поля. В силу плохой проводимости кристалла или керамики из сегнетоэлектрика проводники электродов замыкаются на резистор (сегнетоэлектрик имеет очень большое сопротивление) с большим омическим сопротивлением. Тем самым в проводнике с таким сопротивлением создается очень слабый ток, что приводит также к малому усилению поступающего на антенну электромагнитного сигнала. Таким образом, антенна в заданной конструкции предприятия НПП «БИСИМ» малоэффективна при приеме телевизионных радиосигналов и работает только на уменьшения размеров и на точную настройку антенны на канал частотного диапазона, а не на увеличение усиления радиосигналов.
Техническим достижением настоящего изобретения является устранение указанных недостатков по способу и устройству, сильного увеличения коэффициента усиления радиосигнала, расширения интервала частоты регистрации радиосигнала в область длинных волн метрового диапазона для использования такого устройства в качестве телевизионной антенны при еще более меньших габаритах антенны. Такие параметры телевизионной антенны осуществляются только при объединении в единый замысел нового способа и конструкции. Необходимые для поставленной задачи выходных параметров антенны с малыми размерами можно получить только при использовании материала с большой величиной диэлектрической проницаемости, которая изменяется от напряженности внешнего электрического поля, например сегнетоэлектрика. Коэффициент восприимчивости сегнетоэлектрика должен достигать максимальной величины при нормальной температуре. Процесс поляризации в таком сегнетоэлектрике должен осуществляться при условии высокочастотного переключения переменного электрического поля. Для реализации такого устройства необходимо или вырезать из монокристалла сегнетоэлектрика пластинку перпендикулярно направлению максимальной величины диэлектрической проницаемости или нанести текстуру из поликристаллической смеси сегнетоэлектрика на поверхность другого материала с обычной величиной диэлектрической проницаемости. Управляющие электроды также наносятся на торцевые поверхности пластин монокристалла или текстуры, однако толщина электродов подбирается так, чтобы толщина скин-слоя для принимаемого телевизионного электромагнитного сигнала превышала толщину металлическоя слоя электрода. В момент нанесения текстура должна находиться в электрическом поле с величиной напряженности выше коэрцитивной силы для данного сегнетоэлектрика. Для увеличения усиления антенны из сегнетоэлектрика устройство собирается в виде пакета из пластинок из сегнетоэлектика. Площадь и число пластинок из сегнетоэлектрика, из которой собирается антенна, определяется из необходимости величины усиления антенны. Регистрация радиосигнала осуществляется с помощью витка металлического провода, продеваемого в отверстия через все пластинки сегнетоэлектрика.
Существующие способы регистрации радиосигналов также могут достигать большого коэффициента усиления, увеличения интервала частотного диапазона приема и передачи, направленности излучения и улучшения других выходных параметров антенны. Чаще всего это достигается увеличением размеров антенны. Применение таких материалов как сегнетоэлектрики в современных антеннах может уменьшить их размеры, как об этом говорилось, но не на много.
Технический результат достигается с помощью предлагаемого способа. Способ возбуждения сегнетоэлектрической антенны, включающий индуцирование высокочастотного тока в металлическом сердечнике вибратора внешним электромагнитным полем, возбуждение в цилиндрическом объеме сегнетокерамики в сегнетофазе поверхностных зарядов поляризации, индуцирование в окружающем пространстве при передачи и возбуждение в том же цилиндрическом объеме при приеме вторичного электромагнитного поля для точной настройки и перестройки антенны на другие диапазоны частот, отличается тем, что цилиндрический объем антенны выполняют из чередующихся между собой слоев сегнетокерамических пластин и пластин из ферритодиэлектрического материала, которые набирают в заданном объеме и жестко скрепляю