Фазированная антенная решетка с дифракционной линзой в виде планет

Фазированная антенная решетка с дифракционной линзой в виде планет

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение в виде фазированной антенной решетки (ФАР), в которой в качестве элемента используется облучатель с дифракционной линзой в виде планет, относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники.

В качестве аналога данного изобретения может быть использована СВЧ линзовая антенна [1]. Диэлектрическое вещество антенны этого аналога является излучающим элементом и, кроме того, элементом, управляющим диаграммой направленности.

В качестве прототипа данного устройства, то есть аналога, наиболее близкого к изобретению из совокупности существенных признаков, является устройство СВЧ-антенны, описанное в [2]. Данный прототип содержит приемную и передающую СВЧ-антенну, которая использует излучение отраженной вперед электромагнитной волны ("просветный луч"), индуцированной генератором облучателя.

Сущность изобретения

1. Технический результат

Введение

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы индуцировать в эфире сверхнаправленное электромагнитное излучение.

В основу используемой теоретической модели положено явление образования сверхнаправленного («просветного») луча, описанное в [3, 4], путем дифракционного когерентного рассеяния волн вблизи препятствия не зависимо от его поглощающей способности, даже для абсолютно черного тела.

Описание технического результата

Технический результат изобретения состоит в том, что сочетание искусственного устройства: СВЧ-облучателя и естественного облучаемого объекта: планеты (например, Земли) в качестве дифракционной линзовой антенны позволяет получить узкий сверхнаправленный луч. Ширина диаграммы направленности по уровню 3 дБ равна ˜10^-6 град. для длины волны 2 м, ˜10^-7 град. для длины волны 0,2 м, ˜10^-8 град. для длины волны 0,02 м и ˜10^-9 град. для длины волны 0,002 м. Диаграммы направленности (ДН) сверхнаправленного луча на прием и передачу тождественны, что обусловлено свойством дуальности электромагнитных излучателей.

Для реализации этого технического эффекта СВЧ-облучатель в виде вибраторной, рупорной, параболической или иной антенны должен размещаться на геостационарной или высокоэллиптической орбите искусственного спутника планеты, которая используется как облучаемая линза. Облучатель направлен на центр планеты и изучает электромагнитную волну в сторону планеты. Величина апертуры СВЧ-облучателя не имеет принципиального значения, лишь бы ширина ДН была не больше углового размера планеты, наблюдаемого с орбиты выбранной высоты, чтобы исключить большие (> 3 дБ) потери энергии.

Электромагнитные волны любой длины волны интерференционно огибают планету и когерентно суммируются в пространстве на обратной (по отношению к орбитальному облучателю) стороне планеты, образуя голографический сфокусированный образ луча того же направления, что орбитальный облучающий луч. Сформированный сверхнаправленный луч может использоваться для связных и радиорелейных целей, радиолокации и астрофизический целей в качестве космического радиотелескопа указанной сверхразрешающей способности.

Несколько орбитальных приемных и передающих (облучающих) модулей можно объединить в околопланетную фазированную антенную решетку планетарных масштабов, нацеленную на прием (передачу) излучения с нескольких направлений. Описанный орбитальный модуль может быть размещен, например, на селеностационарной орбите Луны (Луна в качестве дифракционной линзы), тогда такой комплекс «облучатель-Луна» может быть многоканальным ретранслятором передач Земли или радиолокатором обзора Земли со сверхразрешающей способностью.

Орбитальные модули могут быть размещены на стационарных орбитах других планет Солнечной Системы, создавая гигантскую апертура фазированной антенной решетки межпланетного масштаба еще большей разрешающей способностью, пропорциональной отношению интерференционной базы задействованных планет к длине волны. Такая ФАР способна решать проблемы сверхдальней внегалактической радиоастрономии.

2. Существенные признаки

Независимые существенные признаки заявленного изобретения состоят из четырех признаков, обеспечивающих получение технического результата, заключающегося в генерации и приеме электромагнитных волн со сверхнаправленной диаграммой направленности. Эти четыре признака, которые описаны ниже, лежат в основе конструкций заявленных ФАР.

Первым независимым признаком изобретения является наличие облучателя электромагнитных волн или волн другой физической природы (ультрафиолетовой, рентгеновской, нейтринной, гравитационной и т.д.), расположенного на орбите спутника планеты. Этот облучатель представляет собой передающую или приемную антенну для излучения выбранного типа волн. Излучение облучателя или линия визирования приемной антенны направляется на центр планеты, например на центр Земли. Диаграмма направленности этих облучателей по ширине должна быть не больше углового размера планеты, наблюдаемого с орбиты выбранной высоты, чтобы исключить потери энергии. Например, для геостационарной орбиты высотой ˜36000 км (радиуса ˜42000 км) ширина ДН равна ˜17 град. Для передающего облучателя необходимая мощность и длина волны излучения определяется типом решаемой задачи. Схема базирования облучателя на орбите показана на фиг.1.

Вторым независимым признаком изобретения является наличие дифракционной линзы в виде планеты, спутником которой является облучатель. Электромагнитные волны или волны другой физической природы интерферируют около поверхности планеты и огибают ее. Позади планеты (в ее оптической тени) образуется узкий «просветный» луч сверхнаправленной (голографической) природы строго по линии визирования орбитальной приемной антенны или облучающего луча. Величина стереоугла ДН этого луча пропорциональна площади меридионального сечения шара планеты и обратно пропорциональна квадрату длины волны (физическая природа этого явления описана ниже). Плотность энергии просветного луча определяется энергией облучателя и шириной этого луча. Схема базирования облучателя и приемника на орбите приведена на фиг.2.

Третьим независимым признаком изобретения является комплекс, образованный многими фазированными облучателями, расположенными в различных точках одной орбиты или на различных орбитах разной высоты и наклонения так, что образуется планетарная ФАР орбитальных размеров, которая приобретает новое качество в виде многолучевой и многоканальной приемопередающей ФАР, способной принимать сверхслабое излучение удаленных галактических источников. Схема базирования комлекса на орбитах показана на фиг.3.

Четвертым независимым признаком изобретения является расположение многих фазированных комплексов на орбитах около различных планет Солнечной Системы, благодаря чему создается синтезированная апертура межпланетной ФАР соответствующих размеров, разрешающая способность комплекса увеличивается пропорционально отношению межпланетной интерференционной базы к длине волны и количеству цифровых отсчетов. В этом состоит достижение нового качественного эффекта, который можно использовать для создания внегалактических радиотелескопов. Схема базирования комплексов на планетах показана на фиг.4.

3. Принцип действия ФАР

Принцип действия ФАР основан на явлении дифракции волн и, в частности, электромагнитных волн (ЭМ-волн). Общее решение проблемы дифракции плоских ЭМ-волн около сферических тел различного радиуса с произвольной диэлектрической и магнитной проницаемостью дано в [3, 4]. В соответствии с принципом Гюйгенса каждая точка сферического фронта является генератором нового расходящегося фронта, что создает эффект огибания препятствия в виде интерференции этих фронтов, исходящих с двух противоположных точек препятствия, к которым приходит плоская (или коническая) волна (см. фиг.1). В результате за препятствием образуется голографическая картина в форме сверхнаправленного луча, ширина которого определяется величиной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) препятствия, равной:

ЭПР=4πS²/λ², где S - площадь геометрического поперечного сечения тела, λ - длина падающей ЭМ-волны.

Коэффициент направленного действия планетарной сверхнаправленной ФАР (КНД_ф=32000/(θ·ϕ)), образованной линзой-препятствием, равен ЭПР:

КНД_ф=ЭПР/S или 32000/(θ·ϕ)≈4πS/λ²˜4·10¹⁴,

где θ≈ϕ - ширины (в градусах) главного лепестка этой ФАР по уровню 3 дБ. Применительно к Земле радиусом R˜6,3·10⁶ м с очень большим меридиональным сечением сферы S˜π·36·10¹² м² при λ=2 м (на частоте 150 МГц) ширина этого лепестка очень мала

что вблизи поверхности Земли составит диаметр сверхнаправленного светлого пятна ˜0,1 м, однако фактически это пятно будет равно оптическому дифракционному пределу ˜λ=2 м. В пространстве этот сверхнаправленный луч (очень малой расходимости ˜2·10^-6 град.) представляет собой голограмму объемного цилиндра, перпендикулярную поверхности Земли, с высокой плотностью ЭМ-энергии в луче, который можно направить на выбранную цель.

Облучателем Земли является спутниковая антенна, которая имеет широкую диаграмму направленности, равную угловой видимости диаметрального сечения Земли с выбранной высоты орбиты облучения. Как указано выше, для геостационарной орбиты высотой 36000 км угловая видимость Земли равна 17 градусов.

Для сверхнаправленного луча справедлив принцип дуальности, то есть такая сверхнаправленная ФАР, образованная Землей, может работать не только на передачу, но и на прием со сверхвысокой разрешающей способностью. В случае базирования комплексов, например, на двух ближайших планетах (Земля-Луна, Земля-Венера или Земля-Марс) образуется межпланетный линейный интерферометр с базой L˜10¹¹ м, для такой ФАР по главному лепестку КНД_И˜2·L/λ=10¹¹, а общий КНД этого интерферометра и заявляемой ФАР, образующих интерферометрическую межпланетную ФАР, определяется их произведением:

КНД=КНД_И·КНД_ф˜10²⁵, при этом разрешающая способность по углу равна ˜10^-11 град. Используя движения планет по эклиптике, можно синтезировать апертуру цифровой ФАР из множества интерферометрических межпланетных ФАР, тогда общий КНД возрастает пропорционально количеству фазированных отчетов N, например при N≥1000 в год (определяется быстродействием и памятью ЭВМ):

КНД=N·КНД_И·КНД_ф≥10²⁸,

что означает практически неограниченное разрешение до границ нашей Вселенной размером ˜10²⁶ м.

Перечень чертежей

Прелагаемая фазированная антенная решетка (ФАР), в которой в качестве элемента используется облучатель с дифракционной линзой в виде планеты, иллюстрируется на чертежах, представленных на фиг.1-4.

На фиг.1 показана схема базирования облучателя на орбите.

На фиг.2 - схема базирования облучателя и приемника на орбите.

На фиг.3 - схема базирования комлекса на орбитах.

На фиг.4 - схема базирования комплексов на планетах.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Предлагаемое изобретение трудно подтвердить в данный момент прямым путем на российских спутниках Земли в силу очевидных причин. Однако в космической радиофизике при бистатической радиолокации планет (Венеры, Луны и т.д.) явление рассеяния вперед "на просвет" известно, ЭПР измерено и описано в [5]. Кроме этого в радиолокации "на просвет" исследованы ЭПР тел различной формы, размеров и поглощающей способности: самолетов, ракет, боевых головок ракет с маскирующим покрытием [6], объектов животного мира и человека для охранных систем [7].

Образование просветного луча в оптике предсказано Пуассоном в 1818 г., обнаружено Араго (эффект "светлой точки Араго-Пуассона") и повторено в опыте с диском, зачерненным сажей ("тарелкой Аркадьева-Ландсберга") [8], где диаметр диска был равен ˜10 см, а длина оптической электромагнитной волны ˜0,5 мкм. ЭПР такого диска для этой длины волны равна:

ЭПР=4πS²/λ²˜2·10¹²,

ширина индуцированного сверхнаправленного луча ˜10^-4 град, что достаточно близко по масштабам чисел (по сравнению с единичной ЭПР=КНД изотропного рассеяния) к указанной ЭПР Земли для длины волны λ=2 м.

Автор заявленного изобретения наблюдал аналогичный эффект дифракции волн иной природы: коротких спиновых волн длиной ˜0,1 мкм в намагниченных ферримагнетиках при высокой степени канализации сверхнаправленной энергии с малыми потерями на передачу [9]. Аналогичные явления наблюдаются для рассеяния вперед на различных макроскопических объектах очень коротких волн рентгеновской природы, гамма-лучей и де-бройлевских волн элементарных частиц в молекулярной, атомной и ядерной физике [10]. Такие же эффекты наблюдаются в акустике [11].

Поскольку экспериментальная проверка в планетарных масштабах затруднена по финансовым причинам, то проводился численный эксперимент на математической модели. Для чего была составлена программа на MATHCARD 2001, имитирующая дифракционное рассеяние ЭМ-волны от облучателя, находящегося на орбите с высотой, почти равной радиусу модельной планеты, причем диаграмма направленности облучателя, подобного реальному, была конической и наклоненной по отношению к вертикали места, а сферическая поверхность планеты принималась почти полностью отражающей (типа океанской воды). Программа имеет следующий вид.

Как видно из приведенного графика результата расчета дифракционной картины рассеяния, падающий слева луч дает обычное отражение от сферы назад согласно законам Снелиусса и рассеяный вперед очень узкий сверхнаправленный "просветный" луч, расчет которого потребовал учета не менее ˜2·10⁴ сферических гармоник Лежандра в зависимости от радиуса планеты и высоты планетарной орбиты облучателя. С целью устойчивого (асимптотически сходящегося) процесса счета устанавливалось точное соответствие между числом гармоник, числом весовых коэффициентов интегральных уравнений Ми (числом уравнений), числом дискрет N по меридиану планеты (величиной дискретности счета по углу), которое определяется требуемой погрешностью решения системы интегральных уравнений Ми задачи дифракции. Указанное соответствие в алгоритме подбиралось эмпирически по скачкообразному нарастанию расходимости счета без аналитической оценки сходимости асимптотических рядов, представляющей собой сложную математическую проблему любой задачи дифракции.

Положительный эффект изобретения

Использование заявленного изобретения позволит создать для космических радиотехнических приемопередающих систем антенны орбитального базирования малых габаритов, массы и энергопотребления при сверхмалых ширинах диаграммы направленности. Что позволит расширить возможности космических многоканальных систем связи, трансляции и ретрансляции, систем радионавигации и радиолокации сверхвысокого разрешения и помехозащищенности. Использование данного изобретения в космических радиотелескопах позволит расширить возможности межпланетной, галактической и внегалактической радиоастрономии, в частности, по международной программе SETI.

Источники информации

1. Авдеев С.М., Бей Н.А., Морозов А.Н. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности. М.: Радио и Связь. 1987, с.103.

2. R.E.Hiatt, K.M.Siegel, H.Weil. Forward Scattering by coated objects illuminated by short wavelength radar. Proc. IRE. 48, September. I960. P.1630.

3. Захарьев Л.Н., Леманский А.А. Рассеяние волн «черными» телами. М.: «Советское радио». 1972.

4. X.Хенл, А.Мауэ, К.Вестпфале. Теория дифракции. М.: Мир. 1966.

5. Яковлев О.И. «Космическая радиофизика». М.: «Научная книга». 1998.

6. Дж.И.Глейзер. Некоторые результаты по определению двухпозиционной ЭПО сложных объектов. ТИИЭР. Т.77. 1989.

7. Оленин Ю.А. Двухпозиционные радиолокационные системы обнаружения ближнего действия: основы электродинамики формирования информационных признаков сигнала. Сб. научных трудов "Проблемы объектной охраны". Изд-во Пензенского Гос.университета. Вып.2. "Средства и устройства радиоволнового обнаружения". 2001.

8. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976.

9. Смелов М.В. Разработка и исследование преобразователей магнитостатических волн для приборов с малыми потерями на СВЧ. Диссертация. ИРЭ АН СССР. 1988.

10. Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. М.: УРСС. 2002.

11. Зверев В.А. Акустическое темное поле. Акустический журнал. Т.46. №1. 2000. С.75.

1. Фазированная антенная решетка, содержащая облучатель электромагнитных волн и дифракционную линзу в виде планеты, причем облучатель расположен на орбите спутника планеты.

2. Фазированная антенная решетка по п.1, отличающаяся тем, что облучатель является источником волн нейтринной, или гравитационной, или иной физической природы.

3. Фазированная антенная решетка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит несколько облучателей, расположенных в различных точках одной орбиты или на различных орбитах спутников планеты, образуя многолучевую и многоканальную фазированную антенную решетку.

4. Фазированная антенная решетка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что облучатели располагают вокруг других планет, образуя межпланетную фазированную антенную решетку.