EA012794B1

EA012794B1 - Антенна (варианты) и способ управления работой антенны

Info

Publication number: EA012794B1
Application number: EA200601104A
Authority: EA
Inventors: Елена Яковлевна КОЗЛОВА
Original assignee: Сайнмет Ла, Инкорпорейтед
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2009-12-30
Also published as: EA200601104A1

Abstract

Группа изобретений, объединенная единым изобретательским замыслом, относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и может быть использована в различных радиосистемах, в частности, для приема и передачи со станций на Земле и в космосе в промышленных, военных и бытовых радиоустройствах, а также в мобильных телефонах. Изобретение направлено на разработку конструкции многотиповой многофункциональной антенны для приема и передачи радиосигналов и способа управления ее работой, обеспечивающих возможность изменения характеристик радиоизлучения и радиоприема и расширения, таким образом, функций антенны в соответствии с параметрами различных типов антенн, но при значительно меньших габаритах. Указанный технический результат достигается заявляемой конструкцией многослойной антенны, содержащей герметично и жестко скрепленные между собой чередующиеся слои из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле с нанесенными на противоположные плоские поверхности каждого слоя, соответственно, управляющим и сигнальным электродными слоями, подключенными к противоположным полюсам источника тока, и слои из ферродиэлектрического материала. Описаны 9 вариантов реализации разработанной антенны. Для управления работой антенны с целью возбуждения антенны требуемого типа на электроды каждого слоя подают напряжение от постоянного источника тока, причем подачу напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями осуществляют в соответствии с заявляемыми функциональными зависимостями от расстояния вдоль оси антенны, установленными для каждого из заявляемых

Description

Группа изобретений, объединенная единым изобретательским замыслом, относится к области радиотехники, а именно к антенной технике и предназначена для создания приемных и передающих диэлектрических антенн широкополосного диапазона с изменяемыми параметрами, соответствующими параметрам антеннам различного типа, которые могут быть использованы в различных радиосистемах, в частности, для приема и передачи со станций на Земле и в космосе в промышленных, военных и бытовых радиоустройствах, а также в мобильных и сотовых телефонах.

Уровень техники

Все существующие типы антенн имеют основные характеристики, по которым они специализируются на прием и передачу определенных частот радиоволн и интенсивность излучения радиосигнала (см., например, А. М. Кутушев, Н.С. Голубева, Основы радиоэлектроники - Энергия, М., 1969, с. 83-115).

У большинства передающих антенн интенсивность излучения зависит от направления или, как говорят, антенна обладает направленностью излучения. Направленность излучения антенны приводит к повышению напряжённости поля волны в направлении максимального излучения и таким образом создаёт эффект, эквивалентный эффекту, вызываемому увеличением излучаемой мощности.

Количественная оценка излучаемой мощности определяется коэффициентом направленного действия (КНД). КНД антенны представляет собой ширину диаграммы направленности радиосигнала при излучении. КНД приёмной антенны характеризует её пространственную избирательность, определяющую возможность выделения принимаемого сигнала на фоне помех, создаваемых радиосигналами, идущими с разных направлений и порождаемых различными источниками.

Отношение излучаемой мощности ко всей подводимой называется коэффициентом полезного действия (КПД) антенны. КПД антенны на данной частоте приема и передачи представляет собой отношение разности мощности излучения и потерь к мощности излучения.

Произведение КНД на КПД называется коэффициентом усиления (КУ) антенны. Коэффициент усиления (КУ) антенны - отношение амплитуд сигнала исследуемой антенны к амплитуде сигнала эталонной антенны.

Также среди основных электрофизических показателей работы антенны следует отметить коэффициент разрешения (КР), представляющий собой ширину между двумя частотами радиосигналов при приеме, а также коэффициент бегущей волны (КБВ) антенны - степень согласования приемной и передающей антенны с фидером снижения.

Форма диаграмм направленности, КНД и КУ любой антенны одинаковы в режиме передачи и в режиме приёма. Это свойство взаимности процессов передачи и приёма позволяет ограничиться описанием характеристик антенны только в режиме передачи.

Теория и методы построения антенны базируются на теории излучения элементарного электрического вибратора (см., например, А.М. Кутушев, Н.С. Голубева, Основы радиоэлектроники - Энергия, М., 1969, с. 116-316). Его диаграмма направленности в плоскости, проходящей через ось, имеет вид восьмёрки. В плоскости, перпендикулярной оси, направленность излучения отсутствует, и диаграмма имеет форму круга. Любая антенна может рассматриваться как совокупность большого числа элементарных вибраторов.

Одной из важных характеристик антенн любого типа является сопротивление излучения. При длине вибратора, равной одной четверти длины волны, под сопротивлением излучения обычно подразумевают отношение излученной мощности к квадрату эффективного значения силы тока, измеренного у нижнего конца вибратора. Чем больше сопротивление излучения, тем больше излучаемая мощность (при заданном токе в вибраторе), выше КПД, шире полоса пропускаемых частот и ниже максимальная напряжённость электрического поля, возникающая у поверхности провода антенны при заданной подводимой мощности. Так как максимальная напряжённость поля не должна превосходить определённого значения, то чем больше сопротивление излучения, тем больше максимальная мощность, которую можно подвести к антенне. Сопротивление излучения увеличивается с ростом отношения длины антенны к длине волны, а также с повышением равномерности распределения тока по длине вибратора. Расширение полосы пропускаемых частот и снижение максимальной напряжённости поля достигаются также увеличением диаметра антенны или применением нескольких параллельно соединённых антенн.

Длина антенны также является очень важной характеристикой, так как определяет тип антенны по приему и передаче определенного рабочего диапазона частот или длин волн.

По всем названным выше параметрам антенны разделяются на антенны для приема длинных, средних, коротких сверхкоротких волн, а также на антенны дециметровые, сантиметровые, телевизионные, для сотовой и мобильной связи и остронаправленные. По мере изменения принимаемых и излучаемых волн по длине изменяются размеры, геометрические формы и конструкций антенн.

В современных условиях для увеличения КУ антенны при приеме или излучении электромагнитной волны, изменения рабочего частотного диапазона, улучшения КНД и уменьшения сопротивления излучения при неизменных размерах антенны используются различные средства.

Так, например, для увеличения приема сигнала используются диэлектрические среды с очень высокой магнитной проницаемостью в высокочастотном диапазоне падающего излучения (диэлектрические

- 1 012794 ферриты). Падающая электромагнитная волна своим магнитным полем возбуждает в такой антенне индукционные магнитные поля большой величины. При излучении такая антенна посылает более мощную электромагнитную волну. Такое усиление сигнала при приеме и излучении связано с тем, что под действием магнитного поля волны происходит изменение намагниченности среды за счет поворота магнитных доменов в поле волны. Магнитные моменты доменов складываются, и общая величина напряженности индуцированного магнитного поля становится больше, чем напряженность магнитного поля волны. Именно такая антенна (магнитного типа) 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 передаче электромагнитных волн по длине волны. Как указывалось выше, характерный размер металлической антенны должен соответствовать длине волны.

Для магнитодиэлектрической (ферритовой) антенны принимаемая длина волны может быть больше характерного размера самой антенны, но не намного. В такой антенне величина магнитной проницаемости хотя и велика и достигает нескольких сот, но даже при такой величине проницаемости длина принимаемой волны увеличивается только в несколько 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. Габаритные размеры антенны составляют от 0,1 до 1 м.

В отличие от диэлектрической ферритовой среды с большой магнитной проницаемостью существуют диэлектрические среды с очень большой диэлектрической проницаемостью. В таких средах также существуют домены из диполей, но не магнитных, а электрических. Под действием внешнего электрического поля электрические домены разворачиваются в направлении поля и создают на поверхности таких диэлектриков поверхностные заряды, которые, в свою очередь, создают внешние электрические поля, по величине превышающие электрические поля их вызывающие. До настоящего времени в диэлектрических антеннах в основном использовалась диэлектрическая среда в качестве формирования фазовой скорости электромагнитной волны. Известно, что скорость распространения электромагнитной волны в среде зависит от диэлектрической проницаемости среды, чем больше проницаемость, тем меньше фазовая скорость распространения волны и меньше длина волны при заданной частоте волны. 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, диэлектрическая антенна.

Существующие диэлектрические антенны изготавливаются в виде отрезка диэлектрического стержня, возбуждённого радиоволноводом или штырём коаксиального кабеля. В стержне 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, антенна представляет собой антенну бегущей волны, состоящую из элементарных электрических и магнитных вибраторов. Её максимум излучения, как и всякой антенны бегущей волны, совпадает с осью стержня. Характер излучения антенны 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. По мере уменьшения фазовой скорости или приближения её к скорости света в окружающей среде (воздухе) диэлектрический стержень теряет волноводные свойства. Это приводит к резкому спаданию поля к концу стержня, увеличению излучения в окружающую антенны среду непосредственно из открытого конца радиоволновода и уменьшению эффективности диэлектрической антенны. Диаметр и материал стержня обычно выбирают так, чтобы фазовая скорость была не очень близкой к скорости света (не более 0,95-0,96 скорости света). При такой фазовой скорости оптимальная длина равна 12 длинам излучаемой волны и КНД равен ~100. Стержень антенны изготовляют из диэлектрических материалов с малым затуханием электромагнитных волн в них - полистирол, фторопласт и др. Антенны применяют преимущественно на летательных аппаратах в радиоустройствах, работающих на сантиметровых и дециметровых волнах.

У антенны линзового типа, диаграмма направленности формируется за счёт разности фазовых скоростей распространения электромагнитной волны в воздухе и в диэлектрическом материале за счет изменения диэлектрической проницаемости. Антенна линзового типа может применяться в радиолокационных и измерительных устройствах, работающих в диапазоне сантиметровых волн. Свойства такой антенны зависят от коэффициента преломления η (отношения фазовых скоростей распространения радиоволн в вакууме и линзе), то есть от величины диэлектрической проницаемости. При η>1 антенна называется замедляющей, а при η<1 - ускоряющей. Коэффициент преломления таких искусственных диэлектриков может изменяться в широких пределах при весьма малых потерях. Их принцип действия объясняется зависимостью фазовой скорости электромагнитной волны, распространяющейся между параллельными металлическими пластинами, от расстояния между ними, если вектор её электрического поля параллелен пластинам. В этом случае фазовая скорость больше скорости света и коэффициент преломле

- 2 012794 ния меньше единицы. Габаритные размеры антенны составляют от 0,5 до 1м.

Антенна бегущей волны - это направленная антенна, вдоль геометрической оси которой распространяется бегущая волна электромагнитных колебаний. Антенны выполняют либо из дискретных излучателей, расположенных вдоль оси на некотором расстоянии друг от друга, либо в виде сплошного излучателя, вытянутого в направлении оси (последний рассматривают как сумму дискретных излучателей, примыкающих один к другому). Известны также антенны, состоящие из нескольких элементов, каждый из которых представляет собой антенны второго типа. Антенны бегущей волны применяют в приёмных и передающих радиоустройствах на всех длинах волн радиодиапазона. Антенна имеет максимальное излучение (приём) в направлении её оси. Коэффициент направленного действия антенны О=кЬ/1, где Ь длина антенны, 1 - длина волны, к - коэффициент, зависящий от направленности действия отдельного излучающего элемента, значения бегущей волны, соотношения амплитуд токов излучающих элементов и др. Значение к обычно лежит в пределах 4-8. Коэффициент направленного действия получается максимальным при фазовой скорости ν бегущей волны, несколько меньшей скорости света с и равной ν = с-2/ (2£ + Ζ)

Характерные свойства антенны - осесимметричная форма пространственной диаграммы направленности, то есть одинаковость формы диаграммы в любой плоскости, проходящей через ось, и сохранение удовлетворительной направленности действия (у большинства антенн бегущей волны) в широком диапазоне волн. Первое свойство проявляется тем больше, чем больше Ь/1 и чем осесимметричнее диаграмма направленности каждого излучающего элемента. Габаритные размеры антенны составляют от 0,5 до 2 м.

Поверхностной волны антенна от антенны бегущей волны отличается тем, что фазовая скорость электромагнитной волны, которая распространяется вдоль антенны, меньше фазовой скорости распространения плоской волны в свободном пространстве, а амплитуда поля в направлении нормали к антенне убывает по экспоненциальному закону (такую волну называют поверхностной). Замедляющую структуру антенны выполняют в виде ребристой металлической поверхности либо в виде плоской металлической поверхности, покрытой слоем диэлектрика. Поверхностная волна обычно возбуждается рупорной антенной или электрическим вибратором. Основным достоинством антенны бегущей волны является то, что конструктивно она может быть выполнена в виде вставки, практически не выступающей из несущей поверхности, что очень важно при установке таких антенн на летательных аппаратах. Габаритные размеры антенны составляют от 0,5 до 1 м. Антенны такого типа применяют, главным образом, в радиоустройствах, работающих на сантиметровых и дециметровых волнах.

Конические антенны применяют для направленного излучения и приёма радиоволн СВЧ диапазона - в качестве облучателей линзовых и зеркальных антенн, а также в качестве самостоятельных антенн на спутниках связи, в устройствах измерительной техники и т.д. Диаграмма излучения антенны зависит от характера распределения поля в раскрыве (наибольшем сечении) рупора, которое, в свою очередь, определяется формой внутренней и внешней поверхностей рупора и его геометрическими размерами. Габаритные размеры антенны составляют от 0,5 до 1м.

Телевизионная многослойная широкополосная многоканальная диэлектрическая антенна представляет собой принципиально новый тип антенны, в объеме которой длина волны электромагнитного излучения уменьшается. Необходимым условием хорошего приема сигнала является соизмеримый размер антенны с длинами электромагнитных волн в диапазоне теле- и радиовещания. Габаритные размеры антенны составляют от 1 до 10 м.

Синфазная антенна представляет собой антенну в виде решётки из излучателей, чаще всего симметричных или щелевых вибраторов, возбуждаемых ВЧ токами одинаковой фазы. В направлении, перпендикулярном плоскости решётки, интенсивность излучения максимальна, так как поля всех излучателей в этом направлении складываются синфазно. Диаграмма направленности антенны, в любой плоскости, перпендикулярной плоскости решётки, состоит из главного лепестка, то есть является антенной однонаправленного синфазного излучения. Может быть использована в качестве излучателя однонаправленной бегущей волны с малым коэффициентом для облучения такой же антенны; тогда антенна может быть выполнена без рефлектора. Габаритные размеры антенны составляют от 0,1 до 100 м. Антенны такого типа применяют в широком диапазоне радиоволн, причём на декаметровых (коротких) волнах главным образом для радиовещания на большие расстояния.

Известна конструкция диэлектрической антенны бегущей волны, содержащая резонансный полосковый излучатель, выполненный в виде прямоугольной металлической пластины с полосковым филером, размещенным на диэлектрической подложке, покрывающей металлический экран. Резонансный полосковый излучатель является возбудителем для диэлектрического стержня, установленного над его плоскостью так, что его торец полностью перекрывает плоскость пластины и отстоит от нее на расстоянии, равном (0,05 0,2)х0, где х0 - рабочая длина волны. Стержень выполнен в виде пирамиды, большее основание которой перекрывает плоскость прямоугольной металлической пластины излучателя, а меньшее находится от него на вышеуказанном расстоянии (Заявка на патент РФ № 94044761, МПК Н0Щ 13/24, опубл. 20.10.1996).

Известная конструкция диэлектрической антенны не может обеспечить в такой антенне увеличение коэффициента усиления и изменение диаграммы направленности по мере необходимости при изначаль

- 3 012794 но заданных характерных размерах конструкции и материала антенны. Указанное обстоятельство вызвано тем, что регистрация радиосигнала в антенне производится только за счет наведенного напряжения на металлическом вибраторе штыря волновода, 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, при этом используется только один стержень из нелинейного диэлектрика диаметром порядка сантиметра. Это означает, что сечение такой антенны намного меньше сечения потока падающего излучения и тем самым сильно уменьшает величину приемного сигнала по мощности. По мере уменьшения фазовой скорости или приближения её к скорости света в окружающей среде (воздухе) диэлектрический стержень теряет волноводные свойства. Это приводит к резкому спаданию поля к концу стержня, увеличению излучения в окружающую диэлектрическую антенну среду непосредственно из открытого конца радиоволновода и уменьшению эффективности диэлектрической антенны.

Кроме того, известная конструкция антенны не позволяет изменять величину фазовой скорости, так как величина фазовой скорости зависит от заданных характерных размеров антенны и диэлектрического материала, из которой антенна изготавливается.

Наиболее близкими аналогами к заявляемой группе изобретений являются устройство сегнетоэлектрической антенны и способ управления ее работой, описанные в патенте РФ № 2264005, МПК Н01ф 1/38, Н01ф 19/09, опубл. 10.11.2005.

Известная 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, 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 приемнопередающему устройству, а внешний источник постоянного напряжения подсоединен к вибраторам или к управляющим электродам.

Как следует из формулы и описания изобретения к указанному выше патенту, управление работой описанной выше антенны состоит в следующем. Для точной настройки и перестройки антенны на другие диапазоны частот при приеме радиосигнала антенну возбуждают 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 передаче 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.

К числу недостатков известного технического решения следует отнести низкую эффективность работы антенны, обусловленную рядом конструктивных особенностей.

Так, использование сердечника, выполненного из металлического витка провода, жестко установленного в центральном отверстии пакета вибраторов и присоединенного своими концами к приемнопередающему устройству, с помощью которого возбуждают высокочастотное вторичное электромагнитное поле и в котором индуцируют высокочастотные токи. Сердечник такой конструкции усложняет конструкцию самой антенны и технологию изготовления антенны. При возбуждении антенны использование сердечника такой конструкции уменьшает площадь регистрации радиосигнала, как за счет отверстия, так и за счет расположения витков на поверхности антенны, ухудшает возбуждение поляризационных зарядов на поверхности вибраторов, так как большая часть объема антенны не охватывается электромагнитным полем радиосигнала и рассеивается, что приводит к уменьшению коэффициента усиления антенны, снижению интервала частот регистрации радиосигнала в область длинных волн метрового диапазона. Кроме того, известная конструкция не позволяет эффективно изменять выходные характеристики антенны и тем самым обеспечить расширение ее функций в соответствии с характеристиками различных ти

- 4 012794 пов антенн.

Сущность изобретения

Заявляемое изобретение направлено на разработку конструкции многотиповой многофункциональной антенны для приема и передачи радиосигналов и способа управления ее работой, обеспечивающей возможность изменения характеристик радиоизлучения и радиоприема - увеличения коэффициента усиления радиосигнала, расширения интервала частоты регистрации радиосигнала в область длинных волн метрового диапазона, изменения диаграммы направленности по мере необходимости и расширения, таким образом, функций антенны в соответствии с параметрами различных типов антенн, но при значительно меньших габаритах.

В первом варианте заявляемого устройства (фиг. 1) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферродиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, на противоположные плоские торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к одному полюсу источника тока, например положительному, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к другому полюсу источника тока, например отрицательному, и к приемно-передающему устройству.

Во втором варианте заявляемого устройства (фиг. 2) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферродиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, на противоположные плоские торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к одному полюсу источника тока, например положительному, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем последовательного соединения с металлическими проводниками, изолированными от управляющих электродных слоев, например, диэлектрическими прокладками, и подключены к другому полюсу источника тока, например отрицательному, и к приемно-передающему устройству.

В третьем варианте заявляемого устройства (фиг. 3) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферритодиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, на противоположные торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к одному полюсу источника тока, например, положительному, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения с металлическим штырем, жестко размещенным в центральном осевом отверстии пакета пластин, изолированным от управляющих электродных слоев, например, диэлектрической прокладкой, и подключены к противоположному полюсу источника тока, например отрицательному, и к приемно-передающему устройству.

В четвертом варианте заявляемого устройства (фиг. 4) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей секторы из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга секторами такого же объема из ферродиэлектрического материала, при этом все секторы герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, на противоположные грани каждого сектора из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, выполненным в виде изолированного от сигнальных электродных слоев, например, диэлектрической прокладкой, кольца, охватывающего слоистый пакет секторов, и подключены к одному, например, положительному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, выполненным в виде изолированного от управляющих электродных слоев, например, диэлектрической прокладкой, кольца, охватывающего слоистый пакет секторов, и подключены к противоположному полюсу источника тока, например к отрицательному, и к приемно-передающему устройству.

В пятом варианте заявляемого устройства (фиг. 5) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей слои из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической про

- 5 012794 ницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга слоями из ферродиэлек-трического материала, герметично и жестко скрепленные между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, на противоположные боковые поверхности каждого слоя из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, изолированным от сигнальных электродных слоев, например, диэлектрической прокладкой, и подключены к одному, например, положительному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, изолированным от управляющих электродных слоев, например, диэлектрической прокладкой, и подключены к противоположному полюсу источника тока, например, отрицательному и к приемно-передающему устройству.

В шестом варианте заявляемого устройства (фиг. 6) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферродиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы и на противоположные плоские торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, подключенные к противоположным полюсам отдельных источников тока, при этом сигнальный электродный слой каждой последующей пластины из диэлектрика дополнительно подключен к одному полюсу отдельного источника тока, например, к отрицательному, к противоположному полюсу которого, например, положительному, подключен управляющий электродный слой предыдущей пластины из диэлектрика, кроме того, сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, подключенным к приемно-передающему устройству.

В седьмом варианте заявляемого устройства (фиг. 7) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей ряд последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых содержит пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферродиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, на торцевой слой которого нанесен электродный слой фазовращателя, на противоположные плоские торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к одному, например, положительному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, при этом общий металлический проводник сигнальных электродов каждого предыдущего антенного элемента подключен к противоположному полюсу источника тока, например, отрицательному и к фазовращателю следующего антенного элемента, а общий металлический проводник сигнальных электродов последнего антенного элемента дополнительно подключен к приемно-передающему устройству. Кроме того, число антенных элементов составляет не менее двух.

В восьмом варианте заявляемого устройства (фиг. 8) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей ряд последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых содержит секторы из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга секторами такого же объема из ферродиэлектрического материала, при этом все секторы герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, на боковую поверхность одного из цилиндрических секторов нанесен электродный слой фазовращателя, на противоположные грани каждого сектора из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, выполненным в виде изолированного от сигнальных электродных слоев, например диэлектрической прокладкой, кольца, охватывающего слоистый пакет секторов, и подключены к одному полюсу источника тока, например положительному, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, выполненным в виде изолированного от управляющих электродных слоев, например, диэлектрической прокладкой, кольца, охватывающего слоистый пакет секторов, при этом общий металлический проводник сигнальных электродов каждого предыдущего антенного элемента подключен к противоположному полюсу источника тока, например отрицательному, и к фазовращателю последующего антенного элемента, а общий металлический проводник сигнальных электродов последнего антенного элемента дополнительно подключен к приемно-передающему устройству. Кроме того, число антенных элементов составляет не менее двух.

В девятом варианте заявляемого устройства (фиг. 9) отмеченный выше технический результат достигается конструкцией антенны, содержащей ряд последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых содержит слои из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической прони- 6 012794 цаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга слоями из ферродиэлектрического материала, герметично и жестко скрепленных между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, а на наружную боковую поверхность каждого антенного элемента нанесен электродный слой фазовращателя, на противоположные боковые поверхности каждого слоя из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, изолированным от сигнальных электродных слоев, например, диэлектрической прокладкой и подключены к одному, например положительному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, изолированным от управляющих электродных слоев, например, диэлектрической прокладкой, при этом общий металлический проводник сигнальных электродов каждого предыдущего антенного элемента подключен к противоположному полюсу источника тока, например, отрицательному и к фазовращателю последующего антенного элемента, а общий металлический проводник сигнальных электродов последнего антенного элемента дополнительно подключен к приемнопередающему устройству. Кроме того, число антенных элементов составляет не менее двух.

Количество антенных элементов, использованных в седьмом, восьмом и девятом вариантах заявляемой антенны, определяется величинами коэффициента усиления, коэффициента направленности и коэффициента разрешения синфазной антенны.

В качестве «источников тока», использованных во всех вариантах антенн, могут быть использованы, например, химические гальванические элементы различных типов (см., например, Мейнке X., Гунцлах Ф., Радиотехнический справочник - М.-Л.: Гос. энергетическое издательство, 1960).

Использованное во всех девяти рассмотренных вариантах «приемно-передающее устройство» представляет собой типовое электронное устройство для регистрации электромагнитных волн из внешней среды, схемы которого приведены в научно-технической литературе (см., например, Мейнке X., Гунцлах Ф., Радиотехнический справочник - М.-Л.: Гос. энергетическое издательство, 1960).

Использованный в седьмом, восьмом и девятом вариантах заявляемой антенны «фазовращатель» представляет собой всевозможные конструкции, такие как, например, электронные схемы, определенной длины кабель, определенной конфигурации и размеров полоски металлов, электромеханические устройства и т. д., используемые для согласования одного из элементов антенны с другим элементом антенны (см., например, Микроэлектронные устройства СВЧ под ред. Г.И. Веселова, М.: Высшая школа, 1988, с.240-270).

Для каждого из заявляемых девяти вариантов реализации разработанной конструкции антенны общим отличием от наиболее близкого аналога является наличие дополнительного сигнального электродного слоя, нанесенного на одну из плоских поверхностей каждого слоя из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, на противоположную плоскую поверхность этого же слоя нанесен управляющий электродный слой, при этом упомянутые электродные слои подключены к противоположным полюсам источника тока. Наличие двух независимых электродов позволяет создавать постоянное электрическое поле постоянным источником тока.

Отмеченный выше технический результат достигается также способом управления работой многослойной антенны, содержащей герметично и жестко скрепленные между собой чередующиеся слои из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле с нанесенными на противоположные плоские поверхности каждого слоя, соответственно, управляющим и сигнальным электродными слоями, подключенными к противоположным полюсам источника тока, и слои из ферродиэлектрического материала, характеризующийся индуцированием внешним электромагнитным полем при приеме радиосигналов переменных во времени поверхностных поляризационных зарядов в каждом диэлектрическом слое антенны и одновременной подачей от постоянного источника тока напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями в соответствии с заданной функциональной зависимостью от расстояния вдоль оси антенны с получением дополнительных свободных электрических зарядов проводимости в каждом сигнальном электродном слое и тем самым изменением характеристик радиоприема антенны, соответствующих заданному типу антенны, возбуждением при передаче радиосигнала в каждом сигнальном электродном слое высокочастотных токов и тем самым индуцированием переменных во времени поляризационных зарядов в каждом диэлектрическом слое и одновременной подачей от постоянного источника тока напряжения между сигнальным и управляющим электродными слоями в соответствии с заданной функциональной зависимостью от расстояния вдоль оси антенны с получением дополнительной мощности электромагнитного излучения радиосигнала и тем самым изменением характеристик радиоизлучения антенны, соответствующих заданному типу антенны, при этом коррекцию величины подаваемого напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями осуществляют по величине отклонения электрофизических параметров антенны от значений указанных параметров, соответствующих заданному типу антенны.

Сущность заявляемого изобретения состоит в следующем.

Основным свойством диэлектрика является индуцированная поляризация, то есть смещение в нем связанных зарядов под действием внешнего электромагнитного поля. Исследования показали, что в ди

- 7 012794 электриках, у которых существуют готовые электрические диполи, диполи под действием внешнего поля разворачиваются в направлении действия электрического поля электромагнитной волны и тем самым производят зарядовую поляризацию на поверхности диэлектриков. Индуцированная поляризация характеризуется вектором поляризации:

где

Р - поляризация диэлектрика;

Ό - индукция поля в диэлектрике;

ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума;

Е - электрическое поле волны

С учетом выражения:

где α - коэффициент восприимчивости диэлектрика;

Р - поляризация диэлектрика;

Е - электрическое поле волны.

С другой стороны вектор поляризации определяется как электрический момент единицы объема:

Р = Σ яД] где ср - заряд диполя,

1₁ - длина диполя.

В соответствии с законом Ампера

где

Н - напряженность магнитного поля;

ί - ток в контуре;

- длина контура;

циркуляция напряженности магнитного поля Н по контуру равна сумме токов, охватываемых этим контуром, где

где

1_см - плотность токов смещения;

- площадь контура.

1_СМ = άϋ/άΐ = άΡ/άί + ε_οάΕ/άΐ = 1_ποπ + ε_οάΕ/άΙ, где

1,,,,, - токи поляризации;

Ό - индукция поля в диэлектрике;

Р - поляризация диэлектрика;

Е - напряженность электрического поля;

ε₀άΕ/άΐ - токи смещения в вакууме.

Подставляя соответствующие выражения для токов в выражение закона Ампера, получаем:

/Ηά1 = Κ1_πωι + ε₀άΕ/άΐ)ά8 где

Н - напряженность магнитного поля;

- длина контура;

1_пол - токи поляризации;

Е - напряженность электрического поля;

- площадь контура.

Если диэлектрик взять в виде окружности радиуса В и предположить, что магнитные и электрические поля в объеме диэлектрика однородны и изменяются только во времени, то из полученного соотношения получим приближенное выражение для определения вихревого магнитного поля Н, которое возникает в диэлектрике за счет токов поляризации и токов смещения в вакууме:

Η = (Ι,,,,,, + εοάΕ/άΐ)Β/2 где

Н - магнитное поле;

1_пол - токи поляризации;

Е - электрическое поле волны;

В - радиус антенны.

В соответствии с законом Фарадея:

/Е<11 = - άΦ/άΐ где

- 8 012794

Ф - поток магнитной индукции;

Е - напряженность электрического поля;

- длина контура;

I - время изменения поля;

циркуляция электрического поля Е по контуру равна изменению потока магнитной индукции Ф=1цоНй§, то есть причиной вихревого электрического поля является изменение магнитного потока.

/Εά1 = - ά/άί(/μ₀Ηά8) где μ₀ - магнитная восприимчивость вакуума, из которого получаем величину вихревого электрического в приближении однородности магнитного и электрического поля, индуцируемую в объеме диэлектрика:

Е= - μ₀άΗ/άίΚ/2 где

Е - индуцируемое электрическое поле;

Н - магнитное поле;

К - радиус антенны.

В результате подстановки выражения для вихревого магнитного поля:

Η = (α(Ε)άΕ/Λ +Ε(άα/άί)+ 8₀4Е/с11)к/2 где α - коэффициент восприимчивости диэлектрика;

Е - индуцируемое электрическое поле;

К - радиус антенны;

получаем дифференциальное уравнение второго порядка:

<1²Н/с1Г +άΕ/άΐ(άα/άΐ)(2/α) + (4ο²/Β²+(1/α)(ά²α/ά?))ΕО где с =1/(μ₀ε₀)^1/2 - скорость электромагнитной волны.

Коэффициент восприимчивости а=а(Е) диэлектрика в общем случае может зависеть от величины вихревого электрического поля, индуцируемого в объеме диэлектрика электромагнитным внешним полем. В частном случае, когда коэффициент восприимчивости диэлектрика не зависит от времени и напряженности электрического поля, решением этого уравнения является выражение, определяющее обычные колебательные изменения магнитного и электрического поля в объеме диэлектрика, не связанные со свойствами диэлектрика.

Для таких диэлектриков, у которых поляризационные свойства зависят от внешнего электрического поля, как, например, у сегнетоэлектриков, решение уравнения определяет также изменения величины вихревого электрического поля, индуцируемого поляризационными токами, которые, в свою очередь, индуцируются внешним электрическим полем электромагнитной волны. В этом случае имеют место увеличения значения напряженности электрического поля по сравнению с первоначальным значением внешнего электрического поля волны.

В приближении постоянства коэффициента при первой производной при заданном значении напряженности электрического поля радиосигнала получаем выражение:

(άα(Ε)/±)_Ε=Ε0 = ίίάαζΕοί/άΕοΙωΕ!

где ω - частота радиосигнала;

Е₁ - напряженность электрического поля от радиосигнала;

Е₀ - напряженность электрического поля от постоянного источника напряжения;

Е - индуцированное электрическое поле;

α - коэффициент восприимчивости диэлектрика.

Тогда в предположении плоской электромагнитной волны полученное дифференциальное уравнение упростится до выражения:

(ά²Ε/άΐ² + ϊάΕ/άΐ(άα/άΕ0)(2/α)(ωΕ]) + (4с²/К.² - (1/α)ω²Ε](άα/άΕ0 + +Ε|<1²α/άΕο²))Ε = 0 где

Е -индуцированное электрическое поле;

К - радиус антенны;

ω - частота радиосигнала;

α - коэффициент восприимчивости диэлектрика;

Е₁ - напряженность электрического поля радиосигнала.

Для определения конкретной величины амплитуды сигнала на антенне необходимо знать параметры диэлектрического материала в зависимости от напряженности электрического поля, температурной и частотной зависимости диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая нелинейность сегнетоэлектрических кристаллов измеряются в области температур фазового перехода. Из экспериментов определя

- 9 012794 ется величина коэффициента нелинейности β по смещению температуры Т_с (точка Кюри) и изменению диэлектрической проницаемости ε под действием напряженности электрического поля Е. На основе этих данных определяется диэлектрическая нелинейность, температурная и частотная зависимость дисперсия поляризации Р_с сегнетоэлектриков. В основном рассматриваются кристаллы сегнетоэлектриков, у которых температура Кюри близка к области 290-300 К. Диэлектрическая проницаемость измеряется от 10 кц до 100 Мц. Известно, что поляризация сегнетоэлектрического кристалла электрическим полем Е оказывает значительное влияние на аномалию диэлектрической проницаемости ε вблизи фазового перехода. Выше фазового перехода диэлектрическая проницаемость при постоянной температуре уменьшается с увеличением электрического поля. Приведенные результаты объясняются на основе феноменологической теории Гизбурга-Девошира для фазовых переходов второго рода. Для определения коэффициента нелинейности β, являющегося количественной мерой нелинейности диэлектрической проницаемости, используются несколько соотношений, следующих из термодинамической теории. Снижение максимального значения ε в области фазового перехода может быть использовано для сопоставления термодинамической теории с экспериментом. В указанном приближении максимальное значение ε связано с напряженностью электрического ноля соотношением:

где ε - диэлектрическая проницаемость;

β - коэффициент нелинейности.

Рассчитанный по наклону прямой коэффициент β, например, для Ы_2-;,№1.,Сс.-|О₉, соответствует величине 1,26-10^-9 (СС8Е ст²)^-2. Определение коэффициентов β для различных кристаллов было произведено многими исследованиями. Так, для свободного кристалла ВаТ1О3 коэффициент β имеет значение 2,5-10^-13(СС8Е см²)^-2 в точке Кюри. Наиболее достоверное значение β для кристаллов ТГС составляет 7,7-10^-10(СС8Е см²)^-2 вблизи температуры фазового перехода. Свободный кристалла сегнетовой соли имеет коэффициент β, равный 6-10^-8 (СС8Е см²)^-2. Таким образом, из этих рассмотренных классических сегнетоэлектриков нелинейные свойства кристаллов Е12-хЫа_хСе₄О₉ наиболее близки к кристаллам группы ТГС. У этих кристаллов близки также значения α' и Р₈. Количественные данные всех этих параметров отражают механизм фазового перехода и связаны с упорядочением постоянных дипольных моментов. Для титанита бария β=2,5-10^-13(СС8Е ст²)^-2 и потому аппроксимирующая функция будет иметь вид: ε - 1 + 4α(Ε0) = 6,68.10⁴/Е0^2/3 где ε - диэлектрическая проницаемость антенны;

Е₀ - напряженность поля источника.

Полученная зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля совпадает по точкам с экспериментальными значениями для титанита бария в заданном интервале напряженности поля (кВ/см) при температуре 20°С.

В результате дифференцирования этого выражения по Е₀ получаем άα(Ε₀)/άΕ₀ = - 4,45.10⁴/Е₀ ^5/3 где Е0 - напряженность электрического поля источника.

Подставим соответствующее выражение для коэффициента поляризуемости диэлектрика и ее производной по напряженности в дифференциальное уравнение и получим дифференциальное уравнение в виде ά²Ε/άΐ² - ΐ(4/3)(Ει/Ε₀)ωάΕ/άί +^^)(4^/11² З-^/Ео) (7/3)ω²)Ε = 0 где Е - индуцированное электрическое поле;

Е1 - поле радиосигнала;

Е0 - электрическое поле источника.

Окончательное выражение для полученного решения дифференциального уравнения можно представить в виде

Е(1) = Е_1ехр((4/3) (Е₁/Е₀)кю)ехр(1ю)(Е₁/Е₀) (16ω₀ ²/(ω²) - )(Е,/Е₀)68/9 )^1/2) где ε0^/Κ. - основная частота антенны;

с - скорость света;

К - радиус антенны.

Из этого выражения видно, что для сегнетоэлектриков величина амплитуды напряженности электрического поля сигнала антенны при заданной величине напряженности электрического поля, подаваемого от источника питания постоянного напряжения, со временем растет по экспоненте при условии: ω < (Ε₀/Ει)^ν2ω₀(36/17) где ω - частота радиосигнала;

ω₀ основная частота антенны.

Это означает, что при этом условии имеет место усиление радиосигнала на антенне.

- 10 012794

Для характерного диаметра антенны в 1 см граничная высокая частота, при которой происходит процесс усиления радиосигнала, соответствует (Е₀/Е₁)^1/260 ГГц, что для нижней границы соответствует длине волны (Е1/Е0)^1/2 0,5 см. Предел изменения напряженности поля Е0 от постоянного источника напряжения 1-10³ В/см. Величина амплитуды напряженности Е₁ радиосигнала в среднем равна 10^-3 В/см. При этом нижняя граница рабочих частот может быть нулевой.

Отсюда видим, что усиление радиосигнала осуществляется в широкополосном частотном рабочем диапазоне работы антенны. Сегнетоэлектрики относятся к анизотропным средам с нелинейной зависимостью диэлектрической проницаемости и соответственно восприимчивости от величины электрического поля. В общем случае для рассмотрения процессов распространения электромагнитных волн в анизотропных средах диэлектрическую проницаемость среды необходимо брать в виде тензора. В данном случае определения параметров распространения электромагнитных волн в сегнетоэлектрических диэлектриках, которые относятся к анизотропным средам, диэлектрическая проницаемость берется в виде скаляра, то есть распространение волны рассматривается только в направлении максимального значения проницаемости. В направлении, перпендикулярном к максимальному значению диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика, распространение волны рассматривается как для обычных диэлектриков с малой величиной проницаемости. В общем случае уравнение распространения электромагнитной волны в среде имеет вид го{го1Е + μμ^ — (7 + εε^ —) = 0 б? 5ί где ε - относительная величина диэлектрической проницаемости диэлектрика;

Е - напряженность поля волны;

μ - относительная магнитная проницаемость диэлектрика или относительная величина магнитной проницаемости среды;

μ₀ - абсолютная вакуумная магнитная проницаемость.

Уравнение распространения электромагнитной волны в нелинейной сегнетоэлектрической среде представляется в виде:

где е(Е)=1+а(Е) - нелинейная зависимость диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля.

Предполагаем, что в выражениях для относительной диэлектрической проницаемости имеет место зависимость от напряженности поля, которое создается от источника постоянного напряжения между управляющей и сигнальной сетки. Для определения частотных характеристик распространения плоских волн в сегнетоэлектриках подставим выражение в виде:

Е =

В результате получим выражение

о где с - скорость света в вакууме;

к - волновое число плоской волны;

Е_к1 - поле первой рассеянной волны;

Ек2 - поле второй рассеянной волны;

Ек - поле волны в диэлектрике;

ω - частота волны;

ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика;

μ - магнитная проницаемость диэлектрика

Как видно из результата, полученное уравнение является интегральным. При этом появилась дополнительная интегральная нелинейность, которую можно считать малой, так как квадратичная нелинейность ниже нелинейности гиперболической. Кроме того, известно, что в общем случае ε становится тензором, то есть необходимо заменить величину ε на е_1р Тензорный характер проницаемости отражает факт, что направление смещения диполя под действием внешнего поля не совпадает с направлением поля. Как известно, в изотропной среде тензор содержит лишь две различные компоненты, выражаемые через 8¹ и 5¹. Они описывают в линейном приближении распространение поперечных и продольных волн. Раскрывая двойное векторное произведение первого члена левой части уравнения, получим для левой части:

- 11 012794 где к- волновое число;

к₁ - волновой вектор рассеянной волны; ω - частота волны;

- поле рассеянной волны в анизотропном диэлектрике.

Отсюда получаем уравнения, которые в линейном приближении сводятся к уравнениям для поперечных и продольных волн, возбуждаемых в сегнетоэлектриках внешним электромагнитным полем. Вводя поперечное и продольное поле

КМ) к^{2 ;}

Е'

-Ек(кЕ) к² получаем

где

Ек - поле рассеянной волны;

Е₀ - напряженность поля источника;

к - волновое число волны;

Уравнения описывают генерацию продольных волн поперечными или наоборот. Физически это связано с тем, что одна из поперечных волн модулирует электромагнитные параметры сегнетоэлектрика, например плотность и скорость смещения диполей, а другая излучает новые волны, рассеиваясь на неоднородностях, созданных первой волной. Известно, что поперечные волны в сегнетоэлектриках возбуждают ультразвуковые волны и, наоборот, звуковые волны возбуждают электрические поля.

При пренебрежении нелинейными эффектами левые части уравнений дают:

и к²с² = ω²με^ι(Ε₀)

Отсюда получаем, что фазовая скорость распространения поперечной электромагнитной волны в сегнетоэлектрике отличается от скорости распространения в вакууме и, кроме того, меняется в зависимости от величины напряженности электрического поля постоянного источника напряжений. Таким образом, фазовая скорость распространения электромагнитной волны в сегнетоэлектрике равна:

где с - скорость света в вакууме;

с’ - скорость света в диэлектрике.

Формула в правой части справедлива только до значения напряженности поля, меньшего Е₀< Е_кр=10⁶ В/см.

Из этого выражения следует, что при заданной частоте электромагнитной волны ω, распространяющейся в рассматриваемой среде диэлектрической антенны, можно изменять величину фазовой скорости и тем самым создавать условие для изменения параметров антенны, а также изменять тип антенны в зависимости от изменения напряженности электрического поля источника. Кроме того, изменяется также длина волны, которая при увеличении величины диэлектрической проницаемости уменьшается:

где λ - длина волны в диэлектрике;

Е1 - поле источника;

с - скорость света.

Так как подкоренное выражение растет при изменении Е0, то видно, что длина волны в такой среде уменьшается. Так, например, для 10 м длины волны такой антенной можно регистрировать такую электромагнитную волну имея размер антенны длиной только в один сантиметр. Сравнение коэффициентов усиления подобных антенн можно произвести при условии знания коэффициента усиления для такой антенны.

Это означает, что для данного типа антенн с малыми размерами, например, порядка сантиметров, можно регистрировать радиосигналы с длиной волны порядка нескольких метров. Однако при этом есте

- 12 012794 ственно происходят потери по потоковой энергии, так как общая площадь предлагаемой антенны намного меньше площади, охватываемой электромагнитной волной, которые, в свою очередь, компенсируются эффектами усиления за счет сегнетоэлектрических эффектов.

Разработанные конструктивные варианты заявляемой антенны реализуют принципиальные выводы, сделанные выше.

Исследования показали, что при приеме радиосигналов индуцирование внешним электромагнитным полем переменных во времени поверхностных поляризационных зарядов в каждом диэлектрическом слое заявляемой антенны при одновременной подаче от постоянного источника тока напряжения между сигнальным и управляющим электродными слоями каждой пластины из диэлектрика приводит к увеличению плотности переменных во времени поляризационных зарядов с получением дополнительных свободных электрических зарядов проводимости в каждом сигнальном электродном слое за счет индуцирования электромагнитным полем переменных во времени поляризационных зарядов, изменению диэлектрической проницаемости слоя, что в конечном итоге приводит к изменению характеристик радиоприема антенны (увеличению коэффициента усиления радиосигнала, коэффициента направленности приема и т.д.).

При передаче радиосигнала возбуждение высокочастотных токов в каждом сигнальном электродном слое и тем самым индуцирование переменных во времени поляризационных зарядов в каждом диэлектрическом слое при одновременной подаче от постоянного источника тока напряжения между сигнальным и управляющим электродными слоями каждого слоя из диэлектрика приводит к увеличению плотности переменных во времени поляризационных зарядов с получением дополнительной мощности электромагнитного излучения радиосигнала, к изменению диэлектрической проницаемости слоя, и, соответственно, к изменению характеристик радиоизлучения антенны (изменению фазовой скорости и амплитуды волны, увеличению коэффициента усиления при излучении, коэффициента направленности передачи).

Таким образом, можно сделать вывод, что в каждом из девяти вариантов реализации разработанной конструкции многослойной диэлектрической антенны каждый диэлектрический слой работает в широком интервале частот переключения величины поляризации, а коэффициент восприимчивости изменяется в зависимости от напряженности электрического поля. При изменении коэффициента восприимчивости каждого слоя в зависимости от напряженности электрического поля происходит изменение поляризации диэлектрика, что приводит к изменению в нужную сторону КНД, увеличению коэффициента усиления антенны и изменению фазовой скорости и длины электромагнитной волны в среде антенны.

Следовательно, для управления работой антенны с целью возбуждения антенны требуемого типа на электроды каждого слоя необходимо подавать соответствующее напряжение от постоянного источника. На каждом слое за счет источника напряжения внутри диэлектрического слоя создается напряженность электрического поля, которая изменяет в зависимости от величины напряженности поля величину диэлектрической проницаемости. В свою очередь, изменение проницаемости диэлектрика приводит к изменению фазовой скорости электромагнитной волны, частотных характеристик материала, изменению величины амплитуды регистрируемого и излучаемого радиосигнала и диаграммы направленности излучения.

Исследования показали, что для получения параметров, соответствующих конкретному типу антенны, подачу напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями необходимо осуществлять в соответствии с определенной функциональной зависимостью от расстояния вдоль оси антенны.

Для каждого из заявляемых вариантов реализации разработанной антенны были установлены функциональные зависимости изменения подаваемого напряжения от расстояния вдоль оси антенны, позволяющие возбуждать антенну определенного типа.

Так, при использовании первого варианта осуществления заявляемой антенны:

для получения характеристик излучения, соответствующих антенне бегущей волны при возбуждении антенны электромагнитной волной с вектором, перпендикулярным к плоскости слоя, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев;

для получения характеристик излучения, соответствующих антенне поверхностной волны при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического вектора волны необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев.

При использовании второго варианта заявляемой антенны:

для получения характеристик излучения, соответствующих линзовой антенне при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического вектора волны, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев;

- 13 012794 для получения характеристик излучения, соответствующих магнитодиэлектрической антенне при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического вектора волны, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями со значением близким к нулю, что позволит обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев с величиной близкой к единице;

для получения характеристик излучения, соответствующих антенне поверхностной волны при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического вектора волны, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями с величиной напряжения, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев.

При использовании третьего варианта заявляемой антенны для получения параметров, соответствующих антенне бегущей волны при возбуждении антенны электромагнитным полем с направлением электрического вектора волны, перпендикулярным плоскости слоев, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев.

Исследования также показали, что при использовании четвертого варианта заявляемой антенны:

для получения параметров, соответствующих антенне бегущей поверхностной волны при возбуждении антенны электромагнитным полем с вектором электрического поля параллельным плоскости слоев, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев;

для получения параметров, соответствующих телевизионной широкополосной резонансной антенне магнитодипольного типа при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического поля волны, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев с величиной соответствующей дециметровому и метровому диапазону приема радиосигнала.

Было также установлено, что при использовании пятого варианта заявляемой антенны для получения параметров, соответствующих телевизионной широкополосной резонансной антенны электродипольного типа при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического поля волны, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси антенны диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев с величиной соответствующей дециметровому и метровому диапазону приема радиосигнала.

При использовании шестого варианта заявляемой антенны:

для получения параметров, соответствующих антенне канального типа при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического вектора волны, необходимо осуществлять подачу напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями с линейным пространственным изменением величины напряжения по длине вдоль оси антенны, позволяющего обеспечить изменение диэлектрической проницаемости диэлектрических слоев в соответствии с линейной зависимостью;

для получения параметров, соответствующих антенне конического типа при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического вектора волны, необходимо осуществлять подачу напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями с пространственно периодическим изменением величины напряжения по длине вдоль оси антенны, причем в каждом периоде изменение напряжения имеет линейный характер по длине периода, что позволит обеспечить соответствующее периодическое изменение диэлектрической проницаемости диэлектрических слоев;

для получения параметров, соответствующих антенне бегущей волны с осевым излучением при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического поля волны, необходимо осуществлять подачу напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями с пространственно неоднородным изменением по длине вдоль оси антенны, например, по логарифмическому закону, что позволит обеспечить соответствующее пространственно неоднородное изменение диэлектрической проницаемости диэлектрических слоев.

При использовании седьмого варианта заявляемой антенны для получения параметров, соответствующих антенной решетке радарного типа при излучении радиосигнала и телескопного типа при приеме радиосигналов при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического поля волны, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси каждого антенного элемента диэлектрическую проницаемость диэлектриче

- 14 012794 ских слоев с величиной, соответствующей длине волны излучения, на которую настраивают антенну.

При использовании восьмого варианта заявляемой антенны для получения параметров, соответствующих антенной решетке радарного типа при излучении радиосигнала и телескопного типа при приеме радиосигналов при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического поля волны, необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси каждого антенного элемента диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев с величиной, соответствующей длине волны излучения, на которую настраивают антенну.

Исследования показали, что при использовании девятого варианта заявляемой антенны для получения параметров, соответствующих антенной решетке радарного типа при излучении радиосигнала и телескопного типа при приеме радиосигналов при возбуждении антенны электромагнитным полем с произвольным направлением электрического поля волны необходимо осуществлять подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, позволяющего обеспечить неизменную по длине вдоль оси каждого антенного элемента диэлектрическую проницаемость диэлектрических слоев с величиной, соответствующей длине волны излучения, на которую настраивают антенну.

Величина напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями в каждом конкретном случае (при настройке антенны на конкретный тип антенны) определяется экспериментально, исходя из условия достижения оптимальной величины диэлектрической проницаемости, соответствующей длине волны излучения, на которую настраивают антенну, что составляет предмет ноу-хау для заявляемого изобретения.

Кроме того, в процессе управления работой антенны для возбуждения антенны требуемого типа коррекцию величины подаваемого напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями необходимо осуществлять по величине отклонения электрофизических параметров антенны от значений указанных параметров, соответствующих заданному типу антенны. При этом корректировку следует вести, используя такие параметры, как величина амплитуды радиосигнала по напряжению при приеме и передаче на антенне, и/или основная длина волны, на которой работает антенна, и/или рабочая полоса частот приема и передачи антенны, и/или коэффициент усиления антенны, и/или коэффициент полезного действия антенны на данной частоте приема и передачи, и/или коэффициент направленного действия антенны, и/или коэффициент разрешения антенны, и/или величина импеданса антенны (входное сопротивление), и/или коэффициент бегущей волны антенны, и/или величина высокочастотного тока в антенне при передаче радиосигнала, и/или дальность приема и передачи антенны.

Таким образом, указанная выше совокупность существенных признаков в каждом из рассмотренных девяти вариантов реализации заявленного устройства обеспечивает возможность изменения величины диэлектрической проницаемости диэлектрических слоев в нужном направлении, что позволяет управлять изменением параметров радиоизлучения/радиоприема, и тем самым настраивать антенну на заданный тип антенны.

Сущность изобретения также поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг. 1 - схема 1-го варианта конструктивного выполнения антенны; на фиг. 2 - схема 2-го варианта конструктивного выполнения антенны; на фиг. 3 - схема 3-го варианта конструктивного выполнения антенны; на фиг. 4 - схема 4-го варианта конструктивного выполнения антенны; на фиг. 5 - схема 5-го варианта конструктивного выполнения антенны; на фиг. 6 - схема 6-го варианта конструктивного выполнения антенны; на фиг. 7 - схема 7-го варианта конструктивного выполнения антенны; на фиг. 8 - схема 8-го варианта конструктивного выполнения антенны; на фиг. 9 - схема 9-го варианта конструктивного выполнения антенны.

Первый вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 1, состоит из пластин 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга пластинами 2 из ферродиэлектрического материала; на противоположные плоские торцы каждой пластины 1 нанесены управляющий электродный слой 3 и сигнальный электродный слой 4; управляющие электродные слои 3 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 5, подключенным к положительному полюсу источника тока 6, а сигнальные электродные слои 4 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 7, подключенным к отрицательному полюсу источника тока 6 и к приемно-передающему устройству (на схеме не показано).

Второй вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 2, состоит из пластин 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга пластинами 2 из ферродиэлектрического материала; на противоположные плоские торцы

- 15 012794 каждой пластины 1 из диэлектрика нанесены управляющий электродный слой 3 и сигнальный электродный слой 4; управляющие электродные слои 3 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 5, подключенным к положительному полюсу источника тока 6, а сигнальные электродные слои 4 объединены между собой путем последовательного соединения с металлическими проводниками 7, изолированными от управляющих электродных слоев 3 диэлектрическими прокладками 8, и подключены к отрицательному полюсу источника тока 6 и к приемнопередающему устройству (на схеме не показано).

Третий вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 3, состоит из пластин 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга пластинами 2 из ферритодиэлектрического материала; на противоположные торцы каждой пластины 1 из диэлектрика нанесены управляющий электродный слой 3 и сигнальный электродный слой 4; управляющие электродные слои 3 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 5, подключенным к положительному полюсу источника тока 6, а сигнальные электродные слои 4 объединены между собой путем соединения с металлическим штырем 7. Штырь 7 жестко размещен в центральном осевом отверстии пакета пластин, изолирован от управляющих электродных слоев 3 диэлектрическими прокладками 8 и подключен одним концом к отрицательному полюсу источника тока 6, а другим концом к приемно-передающему устройству (на схеме не показано).

Четвертый вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 4, состоит из цилиндрических секторов 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга цилиндрическими секторами 2 из ферродиэлектрического материала; на противоположные грани каждого цилиндрического сектора 1 из диэлектрика нанесены управляющий электродный слой 3 и сигнальный электродный слой 4; управляющие электродные слои 3 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 5, подключенным к положительному полюсу источника тока 6, причем проводник 5 выполнен в виде кольца, изолированного от сигнальных электродных слоев диэлектрической прокладкой 7, а сигнальные электродные слои 4 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 8, выполненным в виде кольца, изолированного от управляющих электродных слоев диэлектрической прокладкой 9, при этом проводник 7 подключен к отрицательному полюсу источника тока 6 и к приемно-передающему устройству (на чертеже не показано).

Пятый вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 5, состоит из коаксиальных цилиндрических слоев 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга коаксиальными цилиндрическими слоями 2 из ферродиэлектрического материала; на внешнюю поверхность каждого цилиндрического слоя 1 нанесен управляющий электродный слой 3, на внутреннюю поверхность каждого цилиндрического слоя 1 нанесен сигнальный электродный слой 4; управляющие электродные слои 3 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 5, изолированным от сигнальных электродных слоев 4 диэлектрической прокладкой 6 и подключенным к положительному полюсу источника тока 7; сигнальные электродные слои 4 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 8, изолированным от управляющих электродных слоев 3 диэлектрической прокладкой 9 и подключенным к отрицательному полюсу источника тока 7 и к приемнопередающему устройству (на чертеже не показано).

Шестой вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 6, состоит из пластин 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга пластинами 2 из ферродиэлектрического материала, на противоположные плоские торцы каждой пластины 1 нанесены управляющий электродный слой 3 и сигнальный электродный слой 4, подключенные к противоположным полюсам отдельных источников тока 5, при этом сигнальный электродный слой каждой последующей пластины из диэлектрика дополнительно подключен к одному полюсу отдельного источника тока, к противоположному полюсу которого подключен управляющий электродный слой предыдущей пластины из диэлектрика, кроме того, сигнальные электродные слои 4 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 6, подключенным к приемно-передающему устройству (на схеме не показано).

Седьмой вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 7, состоит из ряда последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых состоит из пластин 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга пластинами 2 из ферродиэлектрического материала, на противоположные плоские торцы каждой пластины 1 нанесены управляющий электродный слой 3 и сигнальный электродный слой 4; управляющие электродные слои 3 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 5, подключенным к положительному полюсу источника тока 6, а сигнальные электродные слои 4 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 7; на выполненный, например, из ферродиэлентрического материала торцевой слой каждого антенного элемента нанесен электродный слой фазовращателя 8, металлический проводник 7 каждого предыдущего антенного элемента подключен к отрицательному полюсу ис

- 16 012794 точника тока 6 и к фазовращателю 8 следующего антенного элемента, при этом металлический проводник 7 последнего антенного элемента подключен также к отрицательному полюсу источника тока 6 и к приемно-передающему устройству (на чертеже не показано).

Восьмой вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 8, состоит из ряда последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых состоит из цилиндрических секторов 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга цилиндрическими секторами 2 из ферродиэлектрического материала, на противоположные грани каждого цилиндрического сектора 1 нанесены управляющий электродный слой 3 и сигнальный электродный слой 4; управляющие электродные слои 3 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 5, подключенным к положительному полюсу источника тока 6, причем проводник 5 выполнен в виде кольца, изолированного от сигнальных электродных слоев диэлектрической прокладкой 7, а сигнальные электродные слои 4 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 8, также выполненным в виде кольца, изолированного от управляющих электродных слоев диэлектрической прокладкой 9; на боковую поверхность одного из цилиндрических секторов, например сектора из ферродиэлектрика 2, нанесен металлический электродный слой фазовращателя 10, общий металлический проводник 8 каждого предыдущего антенного элемента подключен к отрицательному полюсу источника тока 6 и к фазовращателю 10 последующего антенного элемента, при этом общий металлический проводник 8 последнего антенного элемента подключен также к отрицательному полюсу источника тока 6 и к приемно-передающему устройству (на чертеже не показано).

Девятый вариант заявленного устройства, схематично показанный на фиг. 9, состоит из ряда последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых состоит из коаксиальных цилиндрических слоев 1 из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенных друг от друга коаксиальными цилиндрическими слоями 2 из ферродиэлектрического материала, на внешнюю поверхность каждого цилиндрического слоя 1 нанесен управляющий электродный слой 3, на внутреннюю поверхность каждого цилиндрического слоя 1 нанесен сигнальный электродный слой 4; управляющие электродные слои 3 объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 5, изолированным от сигнальных электродных слоев 4 диэлектрической прокладкой 6 и подключены к положительному полюсу источника тока 7, сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником 8, изолированным от управляющих электродных слоев диэлектрической прокладкой 9; на наружную боковую поверхность каждого антенного элемента нанесен электродный слой фазовращателя 10; общий металлический проводник 8 каждого предыдущего антенного элемента подключен к положительному полюсу источника тока 6 и к фазовращателю 10 последующего антенного элемента, при этом общий металлический проводник 8 последнего антенного элемента подключен также к отрицательному полюсу источника тока 6 и к приемно-передающему устройству (на чертеже не показано).

Как указывалось выше, общим принципом работы девяти предлагаемых вариантов реализации заявленного изобретения является обеспечение возможности изменения параметров радиоизлучения и радиоприема антенны вследствие изменения диэлектрической проницаемости слоев из диэлектрика с нанесенными на противоположные плоские поверхности каждого слоя, соответственно, управляющим и сигнальным электродными слоями, подключенными к противоположным полюсам источника тока за счет изменения величины напряженности электрического поля в слоях.

Реализация отмеченного выше технического результата может быть показана, например, на примере второго варианта осуществления (фиг. 2).

Для получения параметров, соответствующих требуемому типу антенны при возбуждении электромагнитной волной с вектором, перпендикулярным к плоскости слоя антенны, от источника тока 6 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между управляющими электродными слоями 3 и сигнальными электродными слоями 4. Величина напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями при настройке антенны на конкретный тип антенны определяется экспериментально, исходя из условия достижения оптимальной величины диэлектрической проницаемости, соответствующей длине волны излучения, на которую настраивают антенну. Установлено, что для получения параметров линзовой антенны необходимо осуществить подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, при котором диаграмма направленности формируется за счет разности фазовых скоростей распространения электромагнитных волн в воздухе и в многослойной среде антенны. Для получения параметров магнитодиэлектрической (ферритовой) антенне необходимо осуществить подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями со значением, близким к нулю. Для получения параметров антенны поверхностной волны необходимо осуществить подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями, при котором фазовая скорость электромагнитной волны радиосигнала вдоль антенны меньше фазовой скорости волны в свободном пространстве, а ее амплитуда по нормали к оси антенны убывает по экспо

- 17 012794 ненциальному закону. Коррекцию величины подаваемого напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями осуществляют по величине отклонения электрофизических параметров антенны от значений указанных параметров, соответствующих антенне требуемого типа.

Работа остальных вариантов заявленного устройства, за исключением шестого, аналогична работе первого. Во всех этих вариантах для возбуждения антенны заданного типа между управляющими и сигнальными электродами каждого диэлектрического слоя устанавливают одинаковое по длине вдоль оси антенны напряжение, подаваемое от одного источника тока с коррекцией величины этого напряжения в зависимости от отклонения электрофизических параметров антенны от значений указанных параметров, соответствующих антенне заданного типа.

При реализации шестого варианта заявленного устройства (фиг. 6) для возбуждения антенны заданного типа подают напряжение между сигнальным электродным слоем 3 и управляющим электродным слоем 4 каждой пластины 1 из диэлектрика, подключенных к противоположным полюсам отдельных источников тока 5, при этом величину напряжения, подаваемого на каждую диэлектрическую пластину 1 от отдельных источников тока 5, устанавливают так, чтобы обеспечить соответствующее пространственное изменение величины напряжения по длине вдоль оси антенны. Так, например, для возбуждения антенны канального типа величину напряжения, подаваемого на каждую диэлектрическую пластину 1 от отдельных источников тока 5, устанавливают так, чтобы обеспечить линейное пространственное изменение величины напряжения по длине вдоль оси антенны; для возбуждения антенны конического типа обеспечивают пространственно периодическое изменение величины напряжения с линейным характером изменения напряжения в каждом периоде; для возбуждения антенны бегущей волны с осевым излучением обеспечивают пространственно неоднородное изменение напряжения по длине вдоль оси антенны, например, по логарифмическому закону. В каждом случае величину подаваемого напряжения при необходимости корректируют в зависимости от отклонения электрофизических параметров антенны от значений указанных параметров, соответствующих антенне заданного типа.

Экспериментальные конструкции заявляемых антенных устройств были испытаны в соответствии с заявляемым способом, как в режиме передачи, так и в режиме приема радиосигналов.

Полученные результаты подтверждают возможность изменения параметров радиоизлучения и радиоприема по мере необходимости и расширения функций антенны в соответствии с параметрами различных типов антенн, однако, при существенно меньших габаритах.

Как уже отмечалось выше, разработанная антенна, обладая малыми размерами - порядка сантиметров позволяет регистрировать радиосигналы с длиной волной порядка нескольких метров.

Для характерного диаметра антенны в 1 см граничная высокая частота, при которой происходит процесс усиления радиосигнала соответствует (Ε₀/Ει)^1/2 60 ГГц, что для нижней границы соответствует длине волны (Ει/Ε0)^1/2 0,5 см. Предел изменения напряженности поля Е0 от постоянного источника напряжения 1-10³ В/см. Величина амплитуды напряженности Ε₁ радиосигнала в среднем равна 10^-3 В/см. При этом нижняя граница рабочих частот ничем не ограничена.

Таким образом, заявляемое изобретение успешно решает задачу создания малогабаритной многофункциональной диэлектрической антенны для приема и передачи радиосигналов широкополосного диапазона с изменяемыми параметрами, соответствующими параметрам антенн различного типа.

Антенные устройства, выполненные в соответствии с изобретением, могут найти широкое применение в различных радиосистемах, в частности, для приема и передачи со станций на Земле и в космосе в промышленных, военных и бытовых радиоустройствах, а также в мобильных и сотовых телефонах.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Антенна, содержащая пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферродиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, на противоположные плоские торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к одному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к противоположному полюсу источника тока и к приемно-передающему устройству.
2. Антенна, содержащая пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферродиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, на противоположные плоские торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к одному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем последовательного соединения с металлическими проводниками, изоли

- 18 012794 рованными от управляющих электродных слоев, и подключены к противоположному полюсу источника тока и к приемно-передающему устройству.
3. Антенна, содержащая пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферритодиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет, в центре которого выполнено сквозное отверстие, на противоположные торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к одному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения с металлическим штырем, жестко размещенным в центральном осевом отверстии пакета пластин и изолированным от управляющих электродных слоев, и подключены к противоположному полюсу источника тока и к приемно-передающему устройству.
4. Антенна, содержащая секторы из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга секторами такого же объема из ферродиэлектрического материала, при этом все секторы герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, на противоположные грани каждого сектора из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, выполненным в виде изолированного от сигнальных электродных слоев кольца, охватывающего слоистый пакет секторов, и подключенным к одному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, выполненным в виде изолированного от управляющих электродных слоев кольца, охватывающего слоистый пакет секторов, и подключены к противоположному полюсу источника тока и к приемно-передающему устройству.
5. Антенна, содержащая коаксиальные слои из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга коаксиальными слоями из ферродиэлектрического материала, герметично и жестко скрепленные между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, на противоположные боковые поверхности каждого слоя из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, изолированным от сигнальных электродных слоев, и подключены к одному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, изолированным от управляющих электродных слоев, и подключены к противоположному полюсу источника тока и к приемно-передающему устройству.
6. Антенна, содержащая пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферродиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы и на противоположные плоские торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, подключенные к противоположным полюсам отдельных источников тока, при этом сигнальный электродный слой каждой последующей пластины из диэлектрика дополнительно подключен к одному полюсу отдельного источника тока, к противоположному полюсу которого подключен управляющий электродный слой предыдущей пластины из диэлектрика, кроме того, сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, подключенным к приемнопередающему устройству
7. Антенна, содержащая ряд последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых содержит пластины из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга пластинами той же толщины из ферродиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, на торцевой слой которого нанесен электродный слой фазовращателя, на противоположные плоские торцы каждой пластины из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником и подключены к одному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, при этом общий металлический проводник сигнальных электродов каждого предыдущего антенного элемента подключен к противоположному полюсу источника тока и к фазовращателю следующего антенного элемента, а общий металлический проводник сигнальных электродов последнего антенного элемента дополнительно подключен к приемно-передающему устройству.
8. Антенна по п.7, отличающаяся тем, что число антенных элементов составляет не менее двух.

- 19 012794
9. Антенна, содержащая ряд последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых содержит секторы из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга секторами такого же объема из ферродиэлектрического материала, при этом все секторы герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, а на боковую поверхность одного из секторов нанесен электродный слой фазовращателя, на противоположные грани каждого сектора из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, выполненным в виде изолированного от сигнальных электродных слоев кольца, охватывающего слоистый пакет секторов, и подключены к одному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, выполненным в виде изолированного от управляющих электродных слоев кольца, охватывающего слоистый пакет секторов, при этом общий металлический проводник сигнальных электродов каждого предыдущего антенного элемента подключен к противоположному полюсу источника тока и к фазовращателю последующего антенного элемента, а общий металлический проводник сигнальных электродов последнего антенного элемента дополнительно подключен к приемно-передающему устройству.
10. Антенна по п.9, отличающаяся тем, что число антенных элементов составляет не менее трех.
11. Антенна, содержащая ряд последовательно соединенных друг с другом антенных элементов, каждый из которых содержит коаксиальные слои из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле, разделенные друг от друга слоями из ферродиэлектрического материала, герметично и жестко скрепленные между собой в единый слоистый пакет цилиндрической формы, в центре которого выполнено сквозное отверстие, а на наружную боковую поверхность нанесен электродный слой фазовращателя, на противоположные боковые поверхности каждого слоя из диэлектрика нанесены, соответственно, управляющий и сигнальный электродные слои, причем управляющие электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, изолированным от сигнальных электродных слоев, и подключены к одному полюсу источника тока, а сигнальные электродные слои объединены между собой путем соединения одного из своих торцов с общим металлическим проводником, изолированным от управляющих электродных слоев, при этом общий металлический проводник сигнальных электродов каждого предыдущего антенного элемента подключен к противоположному полюсу источника тока и к фазовращателю последующего антенного элемента, а общий металлический проводник сигнальных электродов последнего антенного элемента дополнительно подключен к приемно-передающему устройству.
12. Антенна по п.11, отличающаяся тем, что число антенных элементов составляет не менее двух.
13. Способ управления работой многослойной антенны, содержащей герметично и жестко скрепленные между собой чередующиеся слои из диэлектрика с изменяющейся диэлектрической проницаемостью в электрическом поле с нанесенными на противоположные плоские поверхности каждого слоя, соответственно, управляющим и сигнальным электродными слоями, подключенными к противоположным полюсам источника тока, и слои из ферродиэлектрического материала, характеризующийся при приеме радиосигналов индуцированием переменных во времени поверхностных поляризационных зарядов внешним электромагнитным полем в каждом диэлектрическом слое антенны и одновременной подачей от постоянного источника тока напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями в соответствии с заданной функциональной зависимостью от расстояния вдоль оси антенны с получением дополнительных свободных электрических зарядов проводимости в каждом сигнальном электродном слое и тем самым изменением параметров радиоприема, соответствующих заданному типу антенны, возбуждением при передаче радиосигнала в каждом сигнальном электродном слое высокочастотных токов и тем самым индуцированием переменных во времени поляризационных зарядов в каждом диэлектрическом слое и одновременной подачей от постоянного источника тока напряжения между сигнальным и управляющим электродными слоями в соответствии с заданной функциональной зависимостью от расстояния вдоль оси антенны, с получением дополнительной мощности электромагнитного излучения радиосигнала и тем самым изменением параметров радиоизлучения, соответствующих заданному типу антенны, при этом коррекцию величины подаваемого напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями осуществляют по величине отклонения электрофизических параметров антенны от значений указанных параметров, соответствующих заданному типу антенны.
14. Способ управления по п.13, отличающийся тем, что в качестве электрофизических параметров антенны используют величину амплитуды радиосигнала по напряжению при приеме и передаче на антенне, и/или основную длину волны, на которой работает антенна, и/или рабочую полосу частот приема и передачи антенны, и/или коэффициент усиления антенны, и/или коэффициент полезного действия антенны на данной частоте приема и передачи, и/или коэффициент направленного действия антенны, и/или коэффициент разрешения антенны, и/или величину импеданса антенны, и/или коэффициент бегущей волны антенны, и/или величину высокочастотного тока в антенне при передаче радиосигнала, и/или дальность приема и передачи антенны.

- 20 012794
15. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенны бегущей волны в антенне по п.1 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
16. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенны поверхностной волны в антенне по п.1 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
17. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров линзовой антенны в антенне по п.2 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
18. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров магнитодиэлектрической антенны в антенне по п.2 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
19. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенны поверхностной волны в антенне по п.2 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
20. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенны бегущей волны в антенне по п.3 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
21. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенны бегущей поверхностной волны в антенне по п.4 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
22. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров телевизионной широкополосной резонансной антенны магнитодипольного типа в антенне по п.4 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
23. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров телевизионной широкополосной резонансной антенны магнитодипольного типа в антенне по п.5 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси антенны напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
24. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенны канального типа в антенне по п.6 подачу напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями осуществляют с линейным пространственным изменением величины напряжения по длине вдоль оси антенны.
25. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенны конического типа в антенне по п.6 подачу напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями осуществляют с пространственно периодическим изменением величины напряжения по длине вдоль оси антенны, при этом в каждом периоде изменение напряжения имеет линейный характер по длине периода.
26. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенны бегущей волны с осевым излучением в антенне по п.6 подачу напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями осуществляют с пространственно неоднородным изменением по длине вдоль оси антенны.
27. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенной решетки радарного типа при излучении радиосигнала и телескопного типа при приеме радиосигналов в антенне по п.7 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси каждого антенного элемента напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
28. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенной решетки радарного типа при излучении радиосигнала и телескопного типа при приеме радиосигналов в антенне по п.9 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси каждого антенного элемента напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.
29. Способ управления по п.13, характеризующийся тем, что для получения параметров антенной решетки радарного типа при излучении радиосигнала и телескопного типа при приеме радиосигналов в антенне по п.11 осуществляют подачу одинакового по длине вдоль оси каждого антенного элемента напряжения между сигнальными и управляющими электродными слоями.