RU2562401C2 - Низкочастотная антенна - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системам низкочастотных антенн, имеющих улучшенную направленность излучения. Техническим результатом является создание низкочастотной антенны, имеющей улучшенные рабочие характеристики, а именно обеспечение коэффициента сжатия волны больше единицы без изменения полного волнового сопротивления оболочки при переходе от ее внутренней части к внешней, которые реализуются посредством того, что структура или материал внешней части оболочки антенны выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды. Предложена низкочастотная антенна, предназначенная для излучения/приема электромагнитной волны. Антенна содержит питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи, провод антенны, соединенный с питаемым входом, и оболочку, по меньшей мере частично окружающую провод антенны. Оболочка антенны содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию, внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части. 5 н. и 54 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к низкочастотной антенне и, в частности, к компактной низкочастотной антенне и к системе таких антенн, имеющей улучшенную направленность излучения. Кроме того, настоящее изобретение относится к системе дистанционного зондирования погруженного, или скрытого, объекта. Кроме того, настоящее изобретение относится к системе дистанционной передачи энергии. Предложенная антенна может быть использована в автомобильной промышленности, телекоммуникационной индустрии, в частности, в мобильных приложениях, при исследовании природных ресурсов и в других приложениях.

Уровень техники

Распространение электромагнитных волн через материалы с изменяющимися свойствами, такими как диэлектрическая проницаемость, электрическая проводимость и магнитная проницаемость, было и остается предметом фундаментальных исследований вследствие его огромного значения для беспроводных систем радиосвязи и зондирования. Из-за высокой эффективности излучения от относительно малых передающих устройств, высокочастотные волны главным образом используются для телекоммуникационных целей. Однако, диапазоны доступных частот ограничены глубиной проникновения поля или скин-слоем, который обычно обратно пропорционален квадратному корню от частоты. С другой стороны, смещение в низкочастотную область дает определенные преимущества, такие как более глубокое проникновение и более низкая чувствительность к рассеянию от объектов, малых по сравнению с длиной волны сигналов. Одной из главных проблем является размер излучающего источника, который обычно должен быть соразмерным с длиной волны излучаемых волн, чтобы достигнуть допустимого уровня сопротивления излучения.

Коэффициент направленности характеризует качество антенны и определяется как отношение удельной мощности Р(θ ,ϕ), излучаемой антенной в направлении ее максимального испускания, к удельной мощности той же самой антенны, усредненной по всему телесному углу Ω (θ ,ϕ),

$$$$

$$Dir(\theta ,\phi )=\max \left\{P(\theta ,\varphi )/(\int d\Omega P(\theta ,\varphi \right\}$$

Обычно используемая ориентация рамочной антенны подразумевает максимальный коэффициент усиления при угле θ=0 в предположении, что плоскость излучающей антенной рамки перпендикулярна к оси z, которую обычно рассматривают как ось излучателя. Один из традиционных способов увеличения коэффициента направленности состоит в размещении антенной рамки над плоским отражателем. При такой ориентации коэффициент направленности равен примерно 9 дБ при величине промежутков между антенной рамкой и отражателем, находящейся в диапазоне 0,005≤d/λ≤0,2, где d обозначает расстояние между антенной рамкой и отражателем и λ обозначает длину волны. В целом, коэффициент направленности зависит от размера, формы и электрической проводимости отражателя и является также предметом оптимизации этих параметров, но коэффициент направленности остается примерно равным 9 дБ в максимально оптимизированном диапазоне параметров, то есть, при s/λ ~ 1 для идеально проводящего отражателя квадратной формы, где s обозначает длину его стороны.

Другой способ управления коэффициентом направленности состоит в использовании коаксиальной антенной решетки, в которой все антенные рамки параллельны и их центры расположены на общей оси. Здесь управляемый параметр представляет собой отношение длины антенной рамки к длине волны, 2πr/λ, где r обозначает радиус антенной рамки, а λ обозначает длину волны. Этот способ эффективен; если значение параметра 2πr/λ близко к единице. В этом случае токи, индуцированные во всех антенных рамках, имеют почти одну и ту же фазу и, таким образом, не происходит никакого гашения генерируемого электромагнитного поля. Используемая в большинстве случаев конфигурация включает одну активную антенную рамку и несколько пассивных антенных рамок, причем в этом случае может быть легко получена конфигурация питания, необходимая для получения предписанных значений напряжения в точке питания. Если размер пассивной антенной рамки (или размера активной антенной рамки) немного меньше длины волны, как правило 2πr/λ ~ 0,95, то коэффициент направленности достигает максимального значения, примерно равного 7 дБ, на стороне пассивной антенной рамки, причем последнюю, следовательно, можно полагать вторичным излучателем. Если размер пассивной антенной рамки немного меньше длины волны (или размера активной антенной рамки), как правило 2πr/λ ~ 0,95, то коэффициент направленности достигает максимального значения, примерно равного 7 дБ, на стороне, противоположной пассивной антенной рамке, причем последнюю, следовательно, можно полагать отражателем. Промежуток между активной антенной рамкой и пассивными антенными рамками представляет собой другой контролируемый параметр. Промежуток, составляющий d/λ ~ 0,2 считается оптимальным для достижения максимального значения коэффициента направленности. Физические явления, стоящие за такой конфигурацией антенной решетки, обеспечивающей возможность максимального увеличения коэффициента направленности, связаны с разностями фаз зондового напряжения в месте расположения пассивной антенной рамки и со значением тока, индуцированного этим напряжением: если пассивная антенная рамка уменьшена, то эта разность отрицательна, и наоборот. Взаимное влияние между полями, излучаемыми всеми элементами антенной решетки, приводит к искажению диаграммы направленности антенны и к асимметрии относительно направлений θ=0 и θ=n, то есть, к увеличению коэффициента направленности.

Ситуация резко меняется при наличии сжимающей волну среды, в которую погружена активная антенная рамка, причем именно к этой конфигурации имеет отношение предлагаемое изобретение. Вследствие того, что условия сжатия волны, например, когда изолированная активная антенная рамка погружена в полость, характеризуемую определенными размерами, формой и параметрами материала, могут в целом быть нарушены присутствием в непосредственной близости других объектов! необходимо уделить особое внимание сохранению эффекта сжатия волны при одновременном достижении усиления коэффициента направленности.

Компактные электромагнитные передатчики часто содержат специально сконструированную и имеющую специальную форму диэлектрическую оболочку, обеспечивающую возможность сжатия волны на некоторый коэффициент, который содержит диапазон частот, измененный лишь в несколько раз по сравнению с основной резонансной частотой передатчика. Степень сжатия волны и, следовательно, коэффициент уменьшения частоты обычно ограничены параметрами материала, используемого в антеннах с диэлектрическим объемным резонатором.

Например, патент США №3823403 (1974, Walter et al.) описывает антенну с диэлектрической или ферритовой многовитковой рамкой, обладающей относительно высоким сопротивлением излучения в диапазоне гигагерцевых частот. Высокая частота излучения имеет преимущество высокой плотности при передаче информации вследствие уширенной полосы частот, но часто обладает недостатком, связанным с ограниченной глубиной проникновения при расположении в непосредственной близости объектов, где толщина скин-слоя относительно мала по сравнению с размерами объектов. Кроме того,' волновые явления, подобные рэлеевскому рассеянию на флуктуациях плотности окружающей среды с относительно большой, в противном случае, толщиной скин-слоя, и соответствующие дифракционные явления могут также ограничивать протяженность распространения волны. С другой стороны, использование излучения низкой частоты для передачи электромагнитного излучения, позволяет избежать недостатков, упомянутых в связи с высокочастотным излучением, вследствие увеличенной толщины скин-слоя и, следовательно, увеличеной глубины проникновения и уменьшения дифракционных эффектов.

Патент США №5541610 (1996, Imanishi et al.) описывает антенну для устройства радиосвязи, представляющую собой антенну, выполненную на базе интегрального индуктора, содержащую многослойный миниатюрный интегральный индуктивный элемент, длина которого составляет примерно λ/4, что обеспечивает антенне характеристики полуволнового симметричного вибратора, вместе с заземлением, длина которого составляет, примерно, λ/4. В предпочтительном варианте реализации изобретения индуктивный элемент выполнен из тонких листов изоляционного материала, с нанесенными проводящими сегментами, соединенными через сквозные отверстия в листах с образованием спирального индуктивного элемента в пределах стопки листов! Непосредственное соединение позволяет избежать внесения потерь, связанных с цепью согласования полных сопротивлений, а дешевая миниатюризация вместе со сниженным ухудшением коэффициента усиления антенны, обусловленным воздействием окружающих проводников, позволяет создать эффективное миниатюрное мобильное устройство радиосвязи.

Патент США №6046707 (2000, Gaughan et al.) описывает многослойную керамическую спиральную антенну, предназначенную для миниатюрного радио- или микроволнового устройства связи. Маленькая прочная антенна, предназначенная для использования с радио- и микроволновыми средствами связи, выполнена в виде спирального проводника, содержащегося в многослойном неферритовом керамическом чипе. Диэлектрическая постоянная керамики выбрана так, чтобы соответствовать антенне на ее рабочей частоте, которая может составлять от 0,5 до 10,0 ГГц. Также описан способ выполнения таких антенн.

Улучшение характеристик низкопрофильной антенны часто достигают посредством использования специально разработанных электромагнитных материалов.

В патенте США №6509880 (Sabet et al.) описана одна такая реализация в виде совмещенной плоской антенны, напечатанной на компактной диэлектрической пластине, имеющей некоторую эффективную диэлектрическую постоянную. Разработка элементов антенны с большим значением коэффициента обратного излучения обычно выполнена при использовании металлизированных подложек. Однако, печатные антенны на металлизированных подложках имеют ограниченные ширину полосы и эффективность излучения антенны. Эта проблема обусловлена тем, что поле, излучаемое изображением электрического тока антенны, размещенного в непосредственной близости к печатной электронной схеме и параллельного ей, имеет тенденцию нейтрализовывать поле, излученное самим током антенны. В этом случае согласование входного полного сопротивления антенны достаточно затруднительно, и при достижении условия согласования оно реализуемо лишь в относительно узкой полосе частот. Для устранения этого недостатка, как предложено в патенте США №6509880, диэлектрическая подложка антенны имеет поверхность с реактивной составляющей комплексного сопротивления (RIS), содержащую случайные пустоты между плоскими щелевыми элементами и металлической пластиной заземления, проходящие через диэлектрическую пластину. Выполненная таким образом поверхность с реактивной составляющей полного сопротивления имеет следующие основные особенности: она обеспечивает отражательную способность, увеличивающую коэффициент обратного излучения антенны; поверхность с реактивной составляющей полного сопротивления может служить в качестве резонирующей полости, что приводит к уменьшению размера антенны вследствие уменьшенной длины волны λ ~ 1/sqrt (εµ). Однако, из-за присущих печатным полосковым линиям структурных особенностей, при размещении проводящих линий между диэлектрической пластиной и воздухом, резонансные поверхностные волны, распространяющиеся вдоль поверхности пластины, интерферируют с волнами, генерируемыми в диэлектрическом резонаторе, что приводит к уменьшению мощности выхода для низкопрофильной антенны. Использование предложенных для минимизации влияния поверхностных волн случайных пустот в плите приводит к неоднородному распределению параметров материала, что уменьшает связь излучающей щели с диэлектрической пластиной и, таким образом, интегральная плоская антенна, напечатанная на компактной диэлектрической металлизированной пластине, имеет ограниченные возможности в отношении уменьшения частоты и увеличении эффективности излучения антенны.

Известен магнитный метаматериал (IEEE Transactions on microwave theory and techniques, Vol.54, No. 1, январь 2006 г.), в значительной степени пригодный для использования в качестве подложки для антенн. Указанный магнитный метаматериал представляет собой естественно немагнитный материал с металлическими включениями. Представляющая собой эффективную среду подложка из метаматериала работает на малых по сравнению с длиной волны электромагнитного излучения внедренные цепи (ECs) для достижения значений магнитной проницаемости и диэлектрической проницаемости, превышающих значения для диэлектрика-основы. Геометрический контроль внедренных цепей обеспечивает возможность приспособления значений µ и ε к конкретному приложению. Этот магнитный метаматериал показывает увеличенные значения µ и λ с приемлемыми уровнями коэффициента потерь. Магнитная проницаемость материала сильно и предсказуемым образом зависит от частоты, причем коэффициент миниатюризации может быть выбран посредством подстройки рабочей частоты. Значения относительной магнитной проницаемости в диапазоне µ_отн=1-5 достижимы для приложений с умеренно низким уровнем потерь. Были продемонстрированы (с указанием возможности более высоких значений эффективности) характерные значения коэффициента миниатюризации антенны порядка 4-7 для умеренной (примерно 10%-ой) ширины полосы передачи и эффективностей в умеренном диапазоне (20%-35%).

Использование технологии сжатия волны в области антенных элементов требует подхода, отличающегося от обычных способов управления коэффициентом направленности, таких как использование отражающей проводящей плоскости или коаксиальной антенной решетки из антенных рамок.

Проблемы возникают главным образом на низких частотах и упоминаются ниже.

Во-первых, согласование напряжения в питаемом входе с полным входным сопротивлением зависит от расстояния между пассивными элементами и не эффективно на низких частотах вследствие большой длины волны.

Во-вторых, низкочастотный диапазон не доступен без резонансной полости, поскольку размер излучателя должен быть соизмеримым с длиной волны, если не используется устройство сжатия волны.

В-третьих, сведение к минимуму многократного рассеяния и, таким образом, процессов боковой диффузии от поверхностей раздела, что подразумевает отсутствие использования резко изменяющихся в пространстве параметров. Последнее переходит в плавное изменение собственного полного электрического сопротивления при увеличении коэффициента направленности.

В-четвертых, значение коэффициента направленности зависит от количества элементов в многокомпонентной рамочной антенне, что, однако, увеличивает ее общий размер. Это несовместимо с требованием уменьшения размера.

В связи с вышеупомянутым существует насущная потребность в компактных антеннах, работающих на низких частотах и имеющих улучшенные рабочие характеристики, включая эффективность излучения антенны и высокий коэффициент направленности.

Сущность изобретения

Таким образом, в связи с описанным выше уровнем техники задача настоящего изобретения состоит в выполнении компактной резонансной антенны, имеющей длину излучаемой волны на порядки меньше физического размера антенны, и в то же самое время сопротивление излучения достаточно велико для резонансной антенны, чтобы ее можно было использовать в области связи и для беспроводной передачи энергии электромагнитного поля.

В соответствии с настоящим изобретением предложена низкочастотная антенна. Эта низкочастотная антенна содержит различные функциональные материалы, используемые при выполнении согласованной с длиной волны оболочки, окружающей провод антенны, для согласования длины сжатой волны с физическим размером резонансной антенны, для согласования полного электрического сопротивления в пределах оболочки с полным электрическим сопротивлением внешней среды, для увеличения коэффициента направленности посредством использования неоднородного распределения параметров материала и минимизации рассогласования собственных полных электрических сопротивлений между областью оболочки, формирующей сжатую волну, и внешней средой.

Согласно одному варианту выполнения настоящего изобретения низкочастотная антенна, предназначенная для излучения/приема электромагнитной волны, содержит: питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи; провод антенны, соединенный с питаемым входом; и оболочку по меньшей мере частично окружающую провод антенны, причем оболочка содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию, внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, электрической проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части, внешняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части оболочки от внутренней части к периферии оболочки, причем структура или материал внешней части оболочки выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды.

В одном варианте реализации настоящего изобретения электрическая проводимость внешней части оболочки постоянна, а магнитная проницаемость внешней части оболочки и диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки увеличиваются.

В одном варианте реализации настоящего изобретения магнитная проницаемость внешней части оболочки постоянна, а электрическая проводимость внешней части оболочки и диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки увеличиваются.

В одном варианте реализации настоящего изобретения диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки постоянна, а магнитная проницаемость внешней части оболочки и электрическая проводимость внешней части оболочки увеличиваются.

В одном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются постепенно.

В одном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются ступенчато.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения магнитная проницаемость внешней части оболочки, диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки и электрическая проводимости внешней части оболочки увеличиваются в 5-20 раз.

В одном варианте реализации настоящего изобретения магнитная проницаемость внешней части оболочки изменяется в 5-10 раз по сравнению со значением этой величины во внутренней части, причем происходит постепенное или ступенчатое увеличение на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части, и постепенное или ступенчатое увеличение на противоположной стороне внутренней части в направлении от внутренней части к периферии внешней части оболочки, а отношение параметров, включающих диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и электрическую проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

В одном варианте реализации настоящего изобретения диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки изменяется в 5-10 раз по сравнению со значением этой величины во внутренней части, причем происходит постепенное или ступенчатое увеличение на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части, и постепенное или ступенчатое увеличение на противоположной стороне внутренней части в направлении от внутренней части к периферии внешней части оболочки, причем отношение параметров, включающих диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и электрическую проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

В одном варианте реализации настоящего изобретения электрическая проводимость внешней части оболочки изменяется в 5-10 раз по сравнению со значением этой величины во внутренней части, причем происходит постепенное или ступенчатое увеличение на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части, и постепенное или ступенчатое увеличение на противоположной стороне внутренней части в направлении от внутренней части к периферии внешней части оболочки, а отношение параметров, включающих диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и электрическая проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

В одном варианте реализации настоящего изобретения магнитная проницаемость внешней части оболочки и диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки изменяется в диапазоне от 1 до 10⁶.

В одном варианте реализации настоящего изобретения электрическая проводимость внешней части оболочки изменяется в диапазоне от 0 до 60×10⁶ См/м.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения оболочка содержит материал с высокой магнитной проницаемостью и высокой/низкой электрической проводимостью, выбранный из группы: металлическое стекло, наноперм, мю-металл, пермаллой, электрическая сталь, Ni-Zn феррит, Mn-ZN феррит, сталь, Fe₄₉Co₄₉V₂, Fe3%Si, Fe₆₇Co₁₈B₁₄Si₁, пермаллой Ni₅₀Fe₅₀, тонкая фракция Fe_73,3Si_13,5Nb₃B₉Cu₁, супермаллой Ni₇₈Fe₁₇Mo₅, материал с высокой диэлектрической проницаемостью, выбранный из группы: диоксид титана, титанат стронция, титанат бария-стронция, титанат бария, титанат циркония-свинца, сопряженные полимеры, титанат кальция-меди, или материал с умеренной/низкой электрической проводимостью, выбранный из группы: аморфный углерод, углерод в форме графита, константан, GaAs, манганин, ртуть.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения оболочка содержит метаматериал.

В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения рабочая частота антенны не превышает 3 МГц, до 2 МГц, до 1 МГц.

В одном варианте реализации настоящего изобретения линейный размер внутренней части превышает четверть длины провода антенны.

В одном варианте реализации настоящего изобретения внешняя часть выполнена из материала, выбираемого из группы, содержащей материалы с постепенно или ступенчато изменяющимися параметрами, изменяющимися вдоль воображаемой линии, проходящей через среднюю точку внутренней части таким образом, чтобы волновое сопротивление оставалось неизменным вдоль этой линии.

В одном варианте реализации настоящего изобретения отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки постоянно.

В одном варианте реализации настоящего изобретения отношение электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки постоянно.

В одном варианте реализации настоящего изобретения провод антенны выполнен в виде линейного проводника, длина которого составляет от 0,001 м до 1 м.

В одном варианте реализации настоящего изобретения провод антенны выполнен в виде асимметричной рамки, диаметр которой составляет от 0,05 м до 1 м.

В одном варианте реализации настоящего изобретения асимметричная антенная рамка выбрана из группы, состоящей из круговой, квадратной и ромбовидной рамок.

В одном варианте реализации настоящего изобретения провод антенны покрыт изоляционным материалом, толщина которого не превышает 1/100L, где L равна длине провода антенны.

В одном варианте реализации настоящего изобретения антенна, кроме того, содержит линзовый материал с высокой магнитной проницаемостью для достижения увеличенного значения коэффициента направленности. Высокая магнитная проницаемость превышает магнитную проницаемость во внутренней части по меньшей мере в 5 раз.

В одном варианте реализации настоящего изобретения оболочка имеет геометрическую форму, выбранную из группы: цилиндрический диск, разделенный на несколько областей цилиндр, разделенный на сектора цилиндр, цилиндрические кольца, треугольник, прямоугольник, прямоугольник с выемкой, оболочка со скошенной кромкой, конус, эллипсоид, сфера, полусфера, сферический сегмент, четырехгранник, перфорированная оболочка, ступенчатая оболочка, или любая комбинация этих форм.

В одном варианте реализации настоящего изобретения антенна содержит по меньшей мере один теплоотвод. Например, теплоотвод представляет собой структурный элемент антенны.

В одном варианте реализации настоящего изобретения антенна содержит усиление. Усиление представляет собой структурный элемент антенны.

В одном варианте реализации настоящего изобретения оболочка содержит внешний слой, предотвращающий окисление оболочки.

Согласно второму варианту выполнения настоящего изобретения предложена антенная решетка, содержащая несколько низкочастотных антенн, предназначенных для излучения/приема электромагнитной волны во внешнюю среду и из нее, и соединительное устройство для соединения указанных низкочастотных антенн, в которой каждая антенна из указанных антенн содержит: питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи; провод антенны, соединенный с питаемым входом; и оболочку по меньшей мере частично окружающую провод антенны, причем оболочка содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию, внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, электрической проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части, внешняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части оболочки от внутренней части оболочки к ее периферии, причем структура или материал внешней части оболочки выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды.

В одном варианте реализации настоящего изобретения антенная решетка выполнена в виде одномерной антенной решетки или двумерной антенной решетки.

В одном варианте реализации настоящего изобретения антенная решетка содержит несколько фазирующих устройств, индивидуальных для каждой антенны.

Согласно третьему варианту выполнения настоящего изобретения предложена система для дистанционного зондирования погруженного, или скрытого, объекта, содержащая по меньшей мере одну низкочастотную передающую антенну, выполненную с возможностью излучения электромагнитной волны по направлению к погруженному, или скрытому, объекту; по меньшей мере одну низкочастотную приемную антенну, выполненную с возможностью приема электромагнитной волны по меньшей мере от одной низкочастотной передающей антенны; в которой каждая из по меньшей мере одной низкочастотной передающей антенны и по меньшей мере одной низкочастотной приемной антенны содержит: питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи; провод антенны, соединенный с питаемым входом; и оболочку по меньшей мере частично окружающей провод антенны, причем оболочка содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию, внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, электрической проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части, внешняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что по крайней мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части оболочки от внутренней части к периферии оболочки, причем структура или материал внешней части оболочки выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается1 постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды.

В одном варианте реализации настоящего изобретения низкочастотная передающая антенна и низкочастотная приемная антенна объединены вместе.

В другом варианте реализации настоящего изобретения низкочастотная передающая антенна и низкочастотная приемная антенна размещены на расстоянии друг от друга.

В одном варианте реализации настоящего изобретения система работает в режиме, выбранном из группы: режим отражения, режим дифракции, режим передачи, или в режим, являющийся комбинациейэтих режимов.

Согласно четвертому варианту выполнения настоящего изобретения предложена система для дистанционной передачи энергии, причем система содержит по меньшей мере одну низкочастотную передающую антенну, выполненную с возможностью подсоединения к источнику энергии и излучения электромагнитной волны к потребителю энергии; и по меньшей мере одну низкочастотную приемную антенну, выполненную с возможностью подсоединения к потребителю энергии и с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одной низкочастотной передающей антенной посредством приема электромагнитной волны, излученной низкочастотной передающей антенной, в которой каждая из по меньшей мере одной низкочастотной передающей антенны и по меньшей мере одной низкочастотной приемной антенны содержит: питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи; провод антенны, соединенный с питаемым входом; и оболочку по меньшей мере частично окружающую провод антенны, причем оболочка содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию, внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, электрической проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части, внешняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части оболочки от внутренней части оболочки к ее периферии, причем структура или материал внешней части оболочки выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды; посредством чего потребитель энергии может быть снабжен энергией из источника энергии, когда по меньшей мере одна низкочастотная передающая антенна и по меньшей мере одна низкочастотная приемная антенна взаимодействуют друг с другом.

В одном варианте реализации настоящего изобретения передающая антенна имеет телесный угол, соизмеримый с угловым размером приемной антенны.

В одном варианте реализации настоящего изобретения рабочая частота электромагнитной волны передающей антенны выбрана с возможностью обеспечения толщины скин-слоя в среде вне передающей антенны по меньшей мере равной 2,7 г, где г равно расстоянию между передающей антенной и приемной антенной.

В одном варианте реализации настоящего изобретения система, дополнительно содержит обратную связь между передающей антенной и приемной антенной.

В одном варианте реализации настоящего изобретения низкочастотная передающая антенна расположена в здании, а низкочастотная приемная антенна установлена на мобильном устройстве.

В одном варианте реализации настоящего изобретения мобильное устройство выбрано из группы: ноутбуки, мобильные телефоны, электронные секретари, смартфоны, электронные планшеты.

В одном варианте реализации настоящего изобретения низкочастотная приемная антенна установлена на электрическом транспортном средстве.

В одном варианте реализации настоящего изобретения система работает в режиме, выбранном из группы: режим дифракции, режим передачи, или в режим, являющийся комбинацией этих режимов.

Согласно пятой варианту выполнения настоящего изобретения предложена низкочастотная антенна, предназначенная для излучения/приема электромагнитной волны, причем антенна содержит: питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи; провод антенны, соединенный с питаемым входом; и оболочку по меньшей мере частично окружающую провод антенны, в которой оболочка имеет магнитную проницаемость оболочки, электрическую проводимость оболочки и диэлектрическую проницаемость оболочки и содержит несколько чередующихся первых областей и вторых областей, при этом каждая первая область имеет магнитную проницаемость первой области, электрическую проводимость первой области и диэлектрическую проницаемость первой области; а каждая вторая область имеет магнитную проницаемость второй области, электрическую проводимость второй области и диэлектрическую проницаемость второй области, причем магнитная проницаемость первой области, электрическая проводимость первой области и диэлектрическая проницаемость первой области выше магнитной проницаемости второй области, электрической проводимости второй области и диэлектрической проницаемости второй области.

В одном варианте реализации настоящего изобретения протяженность каждой второй области не превышает 1/10L, где L обозначает длину провода антенны. Каждая вторая область представляет собой воздух.

Различные цели, особенности, примеры реализации и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из следующего подробного описания предпочтительных вариантов выполнения настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематически показан вид в поперечном сечении заключенной в оболочку линейной антенны с центральным питанием.

На фиг.2 показана Таблица 1, содержащая сведения о материалах с высокой магнитной проницаемостью и высокой или низкой электрической проводимостью.

На фиг.3 показана Таблица 2, содержащая сведения о материалах с высокой диэлектрической проницаемостью.

На фиг.4 показана Таблица 3, содержащая сведения о материалах с умеренной или низкой электрической проводимостью.

На фиг.5 схематически показана диаграмма заключенной в оболочку рамочной антенны с изменением параметра материала вдоль оси провода антенны.

На фиг.6 показано распределение электрической проводимости оболочки вдоле оси провода антенны по фиг.5.

На фиг.7 показана зависимость между коэффициентом направленности антенны и градиентом электрической проводимости оболочки антенны по фиг.5.

На фиг.8 показан вариант реализации антенной системы, содержащей рамочную антенну по фиг.5.

На фиг.9 показан вид в перспективе для варианта реализации линейной антенны.

На фиг.10 показан вид в перспективе варианта реализации антенной системы, содержащей линейные антенны по фиг.8.

Подробное описание изобретения

Здесь описаны варианты реализации компактной низкочастотной антенны и антенной решетки с усиленной мощностью излучения.

Использованный в настоящем описании термин «провод антенны» означает металлический элемент антенны, с помощью которого происходит отправление или получение электромагнитных волн.

Использованный в настоящем описании термин «оболочка» означает оболочку, полностью или частично окружающую провод антенны.

Использованный в настоящем описании термин «питаемый вход» означает место, в котором напряжение питания подается в антенну.

Использованный в настоящем описании термин «ядро» взаимозаменяем термином «внутренняя часть» и относится к внутренней части оболочки, окружающей провод антенны. В варианте реализации настоящего изобретения внутренняя часть обеспечивает согласование длины сжатой волны λ_сж с физическим размером L провода антенны.

Использованный в настоящем описании термин «внешняя часть» означает часть оболочки, по меньшей мере, частично окружающей внутреннюю часть. В одном варианте реализации настоящего изобретения внешняя часть согласует собственное полное электрическое сопротивление оболочки с собственным полным электрическим сопротивлением внешней среды.

Использованный в настоящем описании термин «диэлектрическая проницаемость» взаимозаменяем термином «относительная диэлектрическая проницаемость» и означает диэлектрическую проницаемость данного материала относительно диэлектрической проницаемости вакуума.

Использованный в настоящем описании термин «магнитная проницаемость» взаимозаменяем термином «относительная магнитная проницаемость» и означает магнитную проницаемость данного материала относительно магнитной проницаемости вакуума.

Использованный в настоящем описании термин «магнитная проницаемость оболочки» взаимозаменяем термином «магнитная проницаемость внешней части оболочки» и означает магнитную проницаемость внешней части оболочки.

Использованный в настоящем описании термин «диэлектрическая проницаемость оболочки» взаимозаменяем термином «диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки» и означает диэлектрическую проницаемость внешней части оболочки.

Использованный в настоящем описании термин «электрическая проводимость оболочки» взаимозаменяем термином «электрическая проводимость внешней части оболочки» и означает электрическую проводимость внешней части оболочки.

Использованный в настоящем описании термин «комплексная диэлектрическая проницаемость» означает комплексное значение диэлектрической проницаемости, выраженное формулой ε_компл=ε+σ/ω.

При выполнении таких компактных антенных систем одна задача описываемых здесь вариантов реализации настоящего изобретения состоит в уменьшении физического размера провода антенны, что необходимо для согласования с длиной излучаемой волны. Это может быть достигнуто посредством погружения провода антенны в оболочку, имеющую значения диэлектрической магнитной проницаемости оболочки (ниже также называемой относительной диэлектрической проницаемостью оболочки), магнитной проницаемости оболочки (ниже также называемой относительной магнитной проницаемостью оболочки) и электрической проводимости оболочки, выбранные таким образом, чтобы обеспечить необходимое сжатие длины электромагнитной волны, проходящей через указанную оболочку.

Другая задача, выполняемая в описываемых здесь вариантах реализации настоящего изобретения, состоит в увеличении коэффициента направленности излучения. Это может быть достигнуто посредством пространственного неоднородного распределения параметров оболочки, что приводит к асимметричной диаграмме направленности поля излучения вдоль оси излучения. !

Еще одна задача, решаемая описываемыми здесь вариантами реализации настоящего изобретения, состоит в уменьшении реактивной составляющей полного сопротивления и увеличении сопротивления излучения посредством специальной конструкции оболочки.

В одном варианте реализации настоящего изобретения материалы и конструкция оболочки выбраны таким образом, чтобы комбинация всех трех параметров: магнитной проницаемости, диэлектрической проницаемости и электрической проводимости; обеспечивала возможность достижения желаемого сжатия длины волны или самой низкой резонансной частоты, когда длина волны λ во внешней среде преобладает над размер антенны. Дополнительные преимущества включают обеспечение, в случае необходимости, согласования полного волнового сопротивления антенны полному волновому сопротивлению линий передачи, высокого коэффициента усиления, диаграммы излучения, достаточно широкой ширина полосы. На практике выбор материала и диапазона значений параметров определяется конкретным приложением, характеризующимся диапазоном рабочих частот, требуемой шириной полосы и добротностью, значениями коэффициента направленности, полной излучаемой мощностью, физическим размером антенны. Кроме того, выполнение композиционных материалов, характеризующихся несколькими параметрами, то есть, более чем одним значением из диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и электрической проводимости, само по себе представляет техническую проблему, поскольку получающиеся в результате параметры материалов, возможно, представляют собой не простую аддитивную величину и их функциональные возможности могут

зависеть от таких обстоятельств, как межгранулярная связь, тепловой баланс, получаемого в процессе синтеза, а также частотный диапазон и интенсивность поля. Эти вопросы не попадают в объем настоящего изобретения.

Как упомянуто выше, одно из ограничений, накладываемое на параметры, определяется требуемой шириной полосы. Материалы с высокой электрической проводимостью и/или диэлектрической проницаемостью подходят, если это требуемое значение представляет собой наименьшее из всех требований, но, с другой стороны, материалы с высокой магнитной проницаемостью нужны в диапазоне рабочих частот если требуется более широкая ширина полосы.

На фиг.1 схематично показан в поперечном сечение вид низкочастотной антенны 10 в одном варианте реализации. Антенна 10 содержит провод 11 антенны, полностью окруженный цилиндрической оболочкой 12. Провод 11 антенны содержит два линейных проводника 111 и 112, имеющих общую длину L. Внутренние концы проводников 111, 112 присоединены к линии передачи посредством питаемого входа (не показан). Оболочка

12 содержит внутреннюю часть 13, прилегающую к проводу 11 антенны, и внешнюю часть 14, прилегающую к внутренней части 13. Внешняя часть 12 имеет радиус D и может быть выполнена из материала со значениями диэлектрической проницаемости ε_ext, магнитной проницаемости µ_внеш и электрической проводимости σ_внеш, увеличивающимися вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части 14 оболочки 12 от внутренней части 13 к периферии оболочки 12. Протяженность внутренней части 13 составляет по меньшей мере L/4. Значения диэлектрической проницаемости ε_внеш, магнитной проницаемости µ_внеш и электрической проводимости σ_внеш во внутренней части 13 постоянны для обеспечения возможности равномерного сжатия длины волны во внутренней части 13.

Такая структура внутренней части 13 обеспечивает согласование длины сжатой волны Ясж с физическим размером L провода антенны 11. Это может быть выражено соотношением:

$${\lambda }_{сж}~\frac{2}{\omega {\mu }_{внут}^{1/2}{\left({\epsilon }_{внут}^2+\frac{{\sigma }_{внут}^2}{\omega }\right)}^{1/2}\cos \left[\frac{1}{2}{\tan }^{-1}\left(\frac{{\sigma }_{внут}}{\omega {\epsilon }_{внут}}\right)\right]}~L$$

где ε_внут - диэлектрическая проницаемость внутренней части оболочки, µ_внут магнитная проницаемость внутренней части оболочки и ε_внут - электрическая проводимость внутренней части оболочки, ω=2πf - угловая частота.

Например, для согласования длины L=0,05 м и частоты f_рез=500 кГц провода антенны, внутреннюю часть оболочки выполняют из композиционного материала, содержащего керамический титанат бария, феррит и аморфный углерод, и имеющего относительную диэлектрическую проницаемость внутренней части оболочки ε_внут=100, относительную магнитную проницаемость внутренней части оболочки µ_внут=100 и электрическую проводимость внутренней части оболочки σ_внут=20 См/м.

В одном варианте реализации настоящего изобретения диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки ε_внеш и магнитная проницаемость внешней части оболочки /Win выбраны так, чтобы полное волновое сопротивление в пределах внешней части соответствовало полному волновому сопротивлению во внешней среде, примыкающей к оболочке. Это может быть выражено соотношением:

sqrt (µ_внеш/ε_внут) sqrt (µ_наруж/ε_наруж),

где µ_наруж - магнитная проницаемость внешней среды и ε_наруж - диэлектрическая проницаемость внешней среды.

В некоторых случаях вместо диэлектрической проницаемости внешней части и диэлектрической проницаемости внешней среды могут быть использованы комплексная диэлектрическая проницаемость внешней части и комплексная диэлектрическая проницаемость внешней среды, соответственно.

Например, внешняя среда представляет собой воздух с относительной магнитной проницаемостью µ_наруж=1 и относительной диэлектрической проницаемостью ε_наруж=1, а внешняя часть оболочки выполнена из композиционного материала посредством спекания гранул феррита и порошка керамического титаната бария и имеет относительную магнитную проницаемость µ_внеш=100 и относительной диэлектрической проницаемости ε_внеш=100. Коэффициент сжатия волны по частоте равен

sqrt (µ_внеш ε_внут)/sqrt (µ_наруж ε_наруж) ~100.

В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения происходит постепенное или ступенчатое увеличение трех упомянутых параметров, то есть, диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и электрической проводимости, от внутренней части 13 к периферии в пределах внешней части 14 оболочки 12, для согласования собственного полного электрического сопротивления оболочки с собственным полным электрическим сопротивлением внешней среды.

В одном варианте реализации настоящего изобретения магнитная проницаемость внешней части оболочки в 5-10 раз превышает магнитную проницаемость внутренней части, в частности, в 5, 6, 7, 8, 9 или 10 раз, постепенно или ступенчато увеличиваясь на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части, и постепенно или ступенчато увеличиваясь на противоположной стороне внутренней части 13 в направлении от внутренней части к периферии внешней части оболочки, причем отношение параметров, включающих в себя диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и электрическую проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

В одном варианте реализации настоящего изобретения диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки в 5-10 раз превышает диэлектрическую проницаемость внутренней части, в частности, в 5, 6, 7, 8, 9 или 10 раз, постепенно или ступенчато увеличиваясь на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части, и постепенно или ступенчато увеличиваясь на противоположной стороне внутренней части в направлении от внутренней части к периферии внешней части оболочки, причем отношение параметров, включающих в себя диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и электрическую проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

В одном варианте реализации настоящего изобретения электрическая проводимость внешней части оболочки в 5-10 раз превышает электрическую проводимость внутренней части, в частности, в 5, 6, 7, 8, 9 или 10 раз, постепенно или ступенчато увеличиваясь на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части, и постепенно или ступенчато увеличиваясь на противоположной стороне внутренней части в направлении от внутренней части к периферии внешней части оболочки, причем отношение параметров, включающих в себя" диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и электрическую проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

В одном варианте реализации настоящего изобретения внешняя часть 14 имеет неравномерное распределение параметров материала для увеличения коэффициента направленности. Для выполнения этого внешняя часть 14 может включать области с более высокими значениями параметров материала с одной стороны оболочки 12 и с уменьшенными значениями на противоположной стороне оболочки 12.

Например, внешняя часть выполнена в результате спекания керамического порошка BaTiO₃, обладающего высокой диэлектрической проницаемостью εнаруж ~ 1000, с гранулами феррита, обладающего высокой магнитной проницаемостью µ_наруж ~ 1000, для обеспечения возможности совместного действия по сжатию волны во внутренней части 13. В этом случае относительный коэффициент усиления может достигать 1000.

В одном варианте реализации настоящего изобретения внешняя часть содержит следующие материалы, подходящие для сжатия волны, причем список не ограничен этими материалами. Материалы с высокой магнитной проницаемостью и высокой/низкой электрической проводимостью могут быть выбраны из следующего списка: металлическое стекло, наноперм, мю-металл, пермаллой, электрическая сталь, Ni-Zn ферриты, Mn-ZN ферриты, сталь, Fe₄₉Co₄₉V₂, Fe3%Si, Fe₆₇Co₁₈B₁₄Si₁, пермаллой Ni₅₀Fe₅₀, тонкая фракция Fe_73,3Si_13.5Nb₃B₉Cu₁, супермаллой Ni₇₈Fe₁₇Mo₅. Материалы с высокой диэлектрической проницаемостью могут быть выбраны из следующего списка: диоксид титана, титанат стронция, титанат бария-стронция, титанат бария, титанат циркония-свинца, сопряженные полимеры, титанат кальция-меди. Материалы с умеренной/низкой электрической проводимостью могут быть выбраны из следующего списка: аморфный углерод, углерод в форме графита, константан, GaAs, манганин, ртуть.

Упомянутые выше материалы могут также быть скомбинированы посредством высокотемпературного спекания, посредством внедрения в полимерную матрицу или посредством создания гетероструктуры оболочки, имеющей чередующиеся слои различных материалов.

Требуемые параметры материала, такие как магнитная проницаемость и диэлектрическая проницаемость, могут быть получены посредством текстурирования в процессе изготовления материала, посредством применения стехиометрических операций во время выращивания материала, с использованием способа закалки, например, статическим внешним полем во время роста материала, или посредством комбинации вышеупомянутых способов. Далее приведен пример, показывающий, как может быть достигнуто искомое значение относительной магнитной проницаемости ju0TH при использовании стехиометрии при заданной величине магнитной индукции (плотности потока) В, измеряемой в гауссах, причем последняя определяется величиной тока в проводе антенны, который, в свою очередь, определяется необходимой мощностью излучения. Если магнитная индукция в максимуме составляет 4000 гаусс для достижения необходимой мощности излучения, то следующие стехиометрические формулы могут быть использованы для достижения желательного значения относительной диэлектрической проницаемости:

45 пермаллой (45% Ni, 55% Fe):µ_отн=20000;

3,8-78,5 Cr-пермаллой (3,8% Cr, 78,5% Ni, 17,7% Fe): µ_отн=56000;

3,8-78,5 Mo-пермаллой (3,8% Mo, 78,5% Ni, 17,7% Fe):µ_отн=72000;

78,5 пермаллой (78,5% Ni, 21,5% Fe):µ_отн =96000.

Другие примеры выполнения материалов с искомым значением магнитной проницаемости при использовании специальной термообработки магнитных сплавов, включая пермаллои, приведены в статье «Магнитные сплавы железа, никеля и кобальта» (технический журнал корпорации Bell System, Г.В.Элмен, 1950). Другой пример проектирования материалов с искомым значением диэлектрической проницаемости представляют собой керамические системы (Ва_[l-х], Sr_x) TiO₃, которые проявляют общую структуру перовскита, причем тут используют и стехиометрию и текстуру. В качестве общего способа выращивания поликристаллического материала, жидкое спекание гранулированной окиси бария, окиси титана и окиси стронция использовано для достижения определенного значения диэлектрической проницаемости в пределах широкого диапазона частот. В целом, диэлектрическая проницаемость материала зависит от размера гранул, спеченных в текстуре, и от степени замещения Ва на Sr - происходит приблизительно линейное изменение диэлектрической проницаемости в зависимости от содержания х в формуле (Ва_[l-х], Sr_x) TiO₃. Относительная диэлектрическая проницаемость одного конечного материала BaTiO₃ (х=1), полученного посредством спекания очень плотных окисных исходных материалов, может достигать 12000, тогда как другой конечный материал SrTiO₃ (х=0) имеет диэлектрическую проницаемость; равную 330 при комнатной температуре по измерениям на частоте 1 кГц (см. М.Е.Лайнс. Принципы и использование ферроэлектрических и родственных материалов // изд. Оксфордского университета, 1977).

Другой вариант выполнения материалов с определенной электрической проводимостью включает использование порошка сажи с определенным размером гранул, внедренных в полимер. Показано, что изменение электрической проводимости сажи в бутадиенстирольном каучуке происходит пропорционально кубическому корню из концентрации углерода вследствие эффекта электрической фильтрации и может составлять от 1 См/м до 10000 См/м при увеличении удельной концентрация сажи от 2% до 20%, как показано, например, в разделе «Проводящая сажа» в книге «Сажа: наука и техника» Н. Пробст (1993).

Кроме того, оболочка 12 может быть выполнена из композитного или текстурированного материала с использованием способа внедрения функциональных компонентов в полимерную матрицу. В одном таком варианте реализации керамический порошок, например, ССТО (CaCu₃Ti₄O₁₂) или ЦТС (цирконат-титанат свинца), и грануле магнитного материала, например, феррита или мю-металла, внедряют в полимерную матрицу, например, в поливинилидендифторид (PVDF2) или эпоксидную смолу. Этот способ удобен для получения постепенного изменения параметров материала во внешней части 14 оболочки 12 для удовлетворения вышеупомянутым требованиям.

В соответствии с предпочтительным вариантом реализации настоящего изобретения антенна 10 содержит провод 11 антенны, имеющий общую длину, составляющую от 0,01 м до 1 м. Провод 11 антенны выполнен из материала, выбираемого из группы: медь, алюминий, нержавеющая сталь. Оболочка выполнена в форме цилиндра, имеющего радиус, составляющий от 0,02 м до 2 м, и высоту, составляющую от 0,011 м до 1,1 м. Внутренняя часть 13 выполнена в форме цилиндра, имеющего радиус, составляющий от 0,015 м до 1,5 м и высоту, составляющую от 0,011 м до 1,1 м. Внешняя часть 14 выполнена в форме двух половинок цилиндра, имеющего радиус, составляющий от 0,02 м до 2 м, и высоту, составляющую от 0,011 м до 1,1 м. Магнитная проницаемость внешней части оболочки, электрическая проводимость внешней части оболочки и диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки увеличивается вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части 14 оболочки от внутренней части к периферии внешней части 14 в 5-20 раз, в частности, в 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13; 14, 15, 16, 17, 18, 19 или 20 раз.

В конкретной реализации провод антенны выполнен из меди и имеет диаметр 0,001 м. Длина провода 11 антенны составляет от 0,01 м до 0,05 м. Внешняя часть 14 выполнена из титаната бария с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 100 до 1000, феррита с магнитной проницаемостью, составляющей от 100 до 10000, и углеродистой текстуры с электрической проводимостью, составляющей от 20 См/м до 1000 См/м. Радиус внутренней части 13 составляет от 0,015 м до 0,075 м, а ее высота составляет от 0,011 м до 0,055 м. Радиус внешней части 14 составляет от 0,02 м до 0,1 м, а ее высота составляет от 0,011 м до 0,055 м.

В другой конкретной реализации провод антенны выполнен из алюминия, имеет диаметр 0,004 м и длину, составляющую от 0,04 м до 0,1 м. Внешняя часть 14 выполнена из композиционного материала, содержащего диоксид титана с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 86 до 173, электрическую сталь с магнитной проницаемостью, составляющей от 1000 до 4000, и константан с электрической проводимостью, составляющей вплоть до 10⁶ См/м. Радиус внутренней части составляет от 0,053 м до 0,13 м, а ее высота составляет от 0,09 м до 0,023 м. Радиус внешней части составляет от 0,08 м до 0,2 м, а ее высота составляет от 0,09 м до 0,023 м.

В другой конкретной реализации провод антенны выполнен из меди, имеет диаметр 0,008 м и длину, составляющую от 0,08 м до 0,15 м. Внешняя часть 14 выполнена из композиционного материала, содержащего сопряженный полимер с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 10 до 100000, пермаллой с магнитной проницаемостью, составляющей от 1000 до 8000 и аморфный углерод с электрической проводимостью, составляющей от 20 до 1000 См/м. Радиус внутренней части составляет от 0,083 м до 0,23 м, а ее высота составляет от 0,088 м до 0,016 м. Радиус внешней части составляет от 0,16 м до 0,3 м, а ее высота составляет от 0,088 м до 0,016 м.

В другой конкретной реализации провод антенны выполнен из меди, имеет диаметр 0,01 ми длину, составляющую от 0,12 м до 0,25 м. Внешняя часть 14 выполнена из композиционного материала, содержащего цирконат-титанат свинца с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 500 до 6000, феррит NiZn с магнитной проницаемостью, составляющей от 16 до 640 и аморфный углерод с электрической проводимостью, составляющей от 20 См/м до 1000 См/м. Радиус внутренней части составляет от 0,14 м до 0,33 м, а ее высота составляет от 0,25 м до 0,51 м. Радиус внешней части составляет от 0,24 м до 0,5 м, а ее высота составляет от 0,13 м до 0,26 м.

В другой конкретной реализации провод антенны выполнен из меди, имеет диаметр 0,02 м и длину, составляющую от 0,25 м до 0,75 м. Внешняя часть 14 выполнена из композиционного материала, содержащего титанат стронция-бария с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 200 до 500, феррит NiZn с магнитной проницаемостью, составляющей от 16 до 640, и манганин с электрической проводимостью, составляющей от 1,9-10⁶ См/м до 2,07-10⁶ См/м. Радиус внутренней части составляет от 0,33 м до 1,0 м, а ее высота составляет от 0,51 м до 1,6 м. Радиус внешней части составляет от 0,5 м до 1,5 м, а ее высота составляет от 0,51 м до 1,6 м.

В другой конкретной реализации провод антенны выполнен из меди, имеет диаметр 0,03 м и длину, составляющую от 0,60 м до 1,00 м. Внешняя часть 14 выполнена из композиционного материала, содержащего CaCu₃Ti₄O₁₂ с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 250000 до 10⁶, пермаллой с магнитной проницаемостью, составляющей от 40000 до 8000. Радиус внутренней части составляет от 0,8 м до 1,33 м, а ее высота составляет от 0,61 м до 1,1 м. Радиус внешней части составляет от 1,20 м до 2,00 м, а ее высота составляет от 0,61 м до 1,0 м.

Специалистам в данной области техники совершенно понятно, что антенна 10 может иметь другие формы и быть выполнена из материалов, отличных от упомянутых здесь.

Характеристики указанных выше материалов для сжатия длины волны приведены в Таблице 1 на фиг.2, Таблице 2 на фиг.3 и Таблице 3 на фиг.4. Коэффициент сжатия равен отношению длины волны в материале оболочки к длине волны в воздухе на данной частоте.

Следует иметь ввиду, что коэффициент сжатия волны зависит от частоты если материал оболочки является проводящим. Упомянутые выше материалы могут также быть скомбинированы посредством высокотемпературного спекания, посредством внедрения в полимерную матрицу или посредством гетероструктуры оболочки, имеющей чередующиеся слои различных материалов.

В одном варианте реализации настоящего изобретения антенна 10 содержит по меньшей мере один теплоотвод (не показан) для отвода тепла, образуемого антенной и, следовательно, для обеспечения по меньшей мере одной устойчивой рабочей температуры оболочки. Эта по меньшей мере одна устойчивая рабочая температура гарантирует устойчивые значения магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки в рабочем диапазоне температур. Теплоотвод может быть выполнен как структурный элемент антенны. Например, оболочка может иметь желобковую структуру, обеспечивающую функцию теплоотвода. В других случаях эта структура может быть объединена с принудительной жидкостной системой охлаждения. В качестве примера система жидкостного охлаждения может быть выполнена в виде провода антенны в форме трубы с проходящим через нее хладагентом.

В одном варианте реализации настоящего изобретения оболочка 12 содержит усиление, увеличивающее механическую прочность оболочки 12 и предотвращающее ее повреждение вследствие вибрации, сотрясения, или другого внешнего воздействия. Усиление может быть выполнено или как структурный элемент антенны или как элемент оболочки. Например, композитные полимерные материалы, такие как армированная волокном пластмассовая эпоксидная смола, углеродистое волокно, эпоксивиниловая смола, полиэфирный термореактивный пластик, фенол-формальдегидная смола, стеклянное волокно, с относительной диэлектрической проницаемостью, намного меньшей, чем минимальная диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки или чем минимальная электрической проводимость внешней части оболочки на рабочей угловой частоте, подходят как для укрепления структуры так и для электрической изоляции.

В одном варианте реализации настоящего изобретения оболочка содержит защитный слой, предотвращающий окисление оболочки в результате воздействия окружающей среды.

В одном варианте реализации настоящего изобретения внешняя часть имеет структуру, выбранную из группы, содержащей материалы с постепенно или ступенчато изменяющимися параметрами вдоль воображаемой линии, проходящей через среднююточку внутренней части таким образом, чтобы полное волновое сопротивление было неизменно вдоль этой линии.

Для питания антенны 10 могут быть использованы различные схемы питания. Схему питания антенны выбирают из группы, включающей: коаксиальный зонд, апертурная связь с коаксиальной линией питания, апертура, соединенная с волноводом, компланарное питание, соединенный пайкой зонд, щелевая линия, конформная лента и волновод прямого изображения. Это облегчает интеграцию антенн с существующими технологиями.

На фиг.5 показан вариант реализации низкочастотной антенны 50, содержащей провод антенны 51, полностью заключенный в оболочку 52. Провод антенны 51 выполнен в виде антенной рамки радиуса R и длины L. Оболочка 52 содержит внутреннюю часть 53 и внешнюю часть 54. Внутренняя часть 53 расположена вокруг провода 51 антенны и имеет протяженность не меньше, чем L/2 вокруг провода антенны. Внутренняя часть 53 имеет постоянные значения диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки, магнитной проницаемости внутренней части оболочки и электрической проводимости внутренней части оболочки, для обеспечения возможности равномерного сжатия длины волны. Внешняя часть 54 имеет диэлектрическую проницаемость внешней части оболочки, магнитную проницаемость внешней части оболочки и электрическую проводимость внешней части оболочки, при этом электрическая проводимость внешней части оболочки линейно и меняется вдоль оси z провода антенны, от максимума на задней части (при -z) оболочки 52 до некоторого значения во внутренней части 53 с последующим уменьшением на передней части (при +z). Зависимость между коэффициентом направленности антенны и градиентом электрической проводимости оболочки, показанная на фиг.6, демонстрирует существование оптимума коэффициенте направленности, когда происходит изменение электрической проводимости в пределах оболочки.

Например, если оболочка 52 имеет размер D=2R, где R=0,05 м представляет собой радиус провода 51 антенны, то оптимальное значение коэффициента направленности имеет место во внешней части оболочки 52, где электрическая проводимость внешней части оболочки σ_внеш падает от 5 См/м до 0,5 См/м, как показано на фиг.7.

В одном варианте реализации настоящего изобретения для увеличения ширины полосы могут быть использованы различные конфигурации диэлектрической оболочки 52. Оболочка может быть выполнена в виде цилиндрического диска, разделенного на несколько областей цилиндра, разделенного на сектора цилиндра, цилиндрических колец, треугольника, прямоугольника, прямоугольника с выемкой, оболочки со скошенной кромкой, конуса, эллипсоида, сферы, полусферы, сферического сегмента, четырехгранника, перфорированной оболочки, ступенчатой оболочки, или в виде любой комбинации этих форм.

Например, диэлектрическая оболочка 52 в виде ступенчатой пирамиды или ступенчатого цилиндра обладает чрезвычайно широкой полосой частот, достигающей 60 процентов. Кроме того, оболочка 52 в форме расщепленного конуса обладает весьма широкой полосой частот, достигающей примерно 50 процентов. Оболочка в форме перевернутого тетраэдра показывает широкую полосу частот, примерно равную 40 процентам (Ахмед А., Диэлектрическая резонаторная антенна, Руководства по разработке антенн, Глава 17).

В одном варианте реализации настоящего изобретения провод 51 антенны выполнен в форме круглой антенной рамки, квадратной антенной рамки, ромбовидной антенной рамки или другой аксиально-симметричной антенной рамки.

В одном варианте реализации настоящего изобретения антенная решетка содержит несколько низкочастотных антенн, предназначенных для излучения/приема электромагнитной волны, и соединительное устройство между указанными низкочастотными антеннами. Каждая из указанных антенн выполнена в виде антенн, описанные выше со ссылками на фиг.1-7.

Предпочтительно, чтобы антенная решетка содержала несколько фазирующих устройств, индивидуальных для каждой антенны.

Кроме того, антенная решетка выполнена в виде одномерной антенной решетки или двумерной антенной решетки.

Антенная решетка использована для управления низкочастотной диаграммой излучения. Для выполнения активного управления шириной луча и его углом развертки, способ фазированных решеток применен здесь к набору N заключенных в оболочку резонансных передающих антенн, которые распределены и ориентированы в некоторой пространственной конфигурации. Обеспечена возможность индивидуального управления амплитудными и фазовыми возбуждениями каждой передающей антенны с образованием излучаемого пучка любой желаемой пространственной формы, для минимизации потери мощности и усовершенствования возможностей управления положением пучка в режиме реального времени. Обеспечена возможность электронного управления положением пучка в пространстве посредством регулирования фазы сигналов возбуждения в отдельной передающей антенне. В соответствии с технологией фазированной антенной решетки управлением положением пучка реализуется при фиксированной в пространстве апертуре антенны без использования какого-либо механического перемещения в ходе сканирования.

Возможность проведения быстрого (проводимого за микросекунды) и точного управления положением пучка обеспечивает системе возможность выполнять многочисленные функции, как с разделением во времени, так и одновременно. Управляемая посредством электроники антенная решетка обеспечивает возможность слежения за большим количеством целей и облучения некоторых из этих целей электромагнитной энергией, если дополнительно использована система обратной связи между передающей антенной и приемной антенной для оптимизации беспроводной передачи мощности или улучшения качества связи.

В качестве варианта такой реализации предложена система из N линейных заключенных в оболочку передающих антенн с центральным питанием, размещенных в виде линейной антенной решетки с равными промежутками вдоль некоторой линии. Критерий подавления побочных (боковых) лепестков при угле А сканирования выражен в виде отношения расстояния d между передающими антеннами к длине волны λ во внешней среде, которое должно быть меньше, чем 1+sin (А). Во всех низкочастотных приложениях (100 Гц - 1 МГц), реализуемых в воздухе в качестве внешней среды, этот критерий выполним вследствие большой длины волны (от 3000 км до 300 м), что при любой разумной периодичности d (намного меньшей длины волны) подразумевает отсутствие боковых лепестков диаграммы излучения. Таким образом, конструкций фазированной антенной решетки на низких частотах задана требованиями, предъявляемыми к коэффициенту направленности, ширине луча (в приложениях, связанных с передачей энергии), ширине полосы (в коммуникационных приложениях) и к полной излученной мощности. Фактически, поскольку разности фаз между входящими в решетку передающими антеннами при синхронизированном питании весьма малы по сравнению с длиной волны (d<<λ), реальная конфигурация антенной решетки на низких частотах оказывает воздействие на получающуюся в результате диаграмму излучения главным образом посредством коэффициента направленности отдельных передающих антенн. Например, при расположении всех линейных передающих антенн вдоль некоторой линии диаграмма излучения сглажена в экваториальной плоскости и не содержит боковых лепестков, даже если реальные промежутки между передающими антеннами выбраны случайным образом. Такая малая ширина луча на расстояниях, намного меньших длины волны, обеспечивает возможность высокой разрешающей способности при обнаружении, если антенная решетка использована для дистанционного обнаружения полезных ископаемых, скрытых/наземных объектов, как это имеет место в радиолокационной технике. Сеть фазирующих устройств (фазосдвигающих устройств, элементов фазовой задержки) может также быть использована для активного управления скоростью изменения положения луча и его шириной без фактического механического перемещения антенной решетки. Как способ сужения амплитуды, так способ сужения фазы могут быть использованы способом, похожим на способ, применяемый в отношении решеток обычных изотропных передающих антенн (как описано, например, в Хансен Р.С. Фазированные антенные решетки // Руководство по разработке антенн, 2007, Глава 20).

Например, помещая N заключенных в оболочку рамочных передающих антенн в круговую область и осуществляя центральное питание внешней передающей антенны таким образом, что ее фаза сдвинута относительно фазы внутренней передающей антенны, питаемой тем же самым генератором мощности, причем указанное питание осуществляется через распределитель индивидуальных фазирующих устройств, что обеспечивает дополнительное сужение пучка вследствие погашения электромагнитных сигналов во внешней оболочке излучаемого пучка. Вследствие теоремы взаимности те же самые способы использования фазированных антенных решеток применимы также к решетке приемных антенн.

На фиг.8 показан вариант реализации антенной решетки 80, содержащей несколько антенн 81. Каждая антенна 81 содержит провод 82 антенны в виде антенной рамки, полностью погруженной в цилиндрическую оболочку 83. Оболочка 83 имеет ступенчатую конфигурацию и выполнена посредством установки в стопу функциональных слоев в чередующемся порядке, причем указанные слои имеют ячеистую конструкцию, так что достижима связность, по меньшей мере, типа 2-2. Каждый слой имеет определенные функциональные возможности, относящиеся к диэлектрическим, магнитным, проводящим свойствам или к их комбинации. Например, оболочка 83 содержит две внешние части в форме нижнего слоя 831 и верхнего слоя 833, и слой 832 внутренней части, размещенный между нижним слоем 831 и верхним слоем 833. Каждый из слоев имеет свое собственное значение диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и электрической проводимости. Например, нижний слой 831 обладает низким значением отношения электрической проводимости к магнитной проницаемости, слой 832 внутренней части обладает средним значением отношения электрической проводимости к магнитной проницаемости, а верхний слой 833 обладает высоким значением отношения электрической проводимости к магнитной проницаемости. Таким образом, имеет место изменение отношения электрической проводимости к магнитной проницаемости вдоль оси оболочки.

Кроме того, отдельные фазирующие устройства (не показаны) использованы для установки сдвига фаз между антеннами с целью управления положением пучка антенной решетки в пределах главного лепестка без механического перемещения и управления шириной пучка.

В соответствии с одним из предпочтительных вариантов реализации настоящего изобретения антенная решетка 80 содержит несколько антенн 81, каждая из которых содержит провод рамочной антенны, антенная рамка которой имеет радиус, составляющий от 0,05 м до 1 м. Провод 11 антенны выполнен из материала, выбираемого из группы, включающей: медь, алюминий, нержавеющая сталь. Нижний слой выполнен в форме цилиндра, имеющего радиус, составляющий от 0,15 м до 3 м, и высоту, составляющую от 0,05 м до 1 м. Слой внутренней части выполнен в форме цилиндра, имеющего радиус, составляющий от 0,1 м до 2 м, и высоту, составляющую от 0,05 м до 1 м. Верхний слой выполнен в форме цилиндра, имеющего радиус, составляющий от 0,075 м до 1,66 м, и высоту, составляющую от 0,05 м до 1 м.

Например, провод антенны выполнен из меди и имеет радиус, составляющий от 0,05 м до 0,1 м, и диаметр 0,005 м. Радиус нижнего слоя составляет от 0,15 м до 0,3. Радиус слоя внутренней части составляет от 0,1 м до 0,2 м. Радиус верхнего слоя составляет от 0,075 м до 0,13 м. Высота каждого слоя составляет от 0,05 м до 0,1 м. Каждый слой оболочки выполнен из композиционного материала, содержащего титанат стронция-бария с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 200 до 500, феррит NiZn с магнитной проницаемостью, составляющей от 16 до 640, и манганин с электрической проводимостью, составляющей от 1,9·10⁶ до 2,07·10⁶ См/м.

В другом варианте провод антенны выполнен из меди и имеет радиус, составляющий от 0,08 м до 0,12 м и диаметр 0,004 м. Радиус нижнего слоя составляет от 0,18 м до 0,27 м. Радиус слоя внутренней части составляет от 0,08 м до 0,12 м. Радиус верхнего слоя составляет от 0,13 м до 0,18 м. Высота каждого слоя составляет от 0,06 м до 0,09 м. Каждый слой оболочки выполнен из композиционного материала, содержащего сопряженный полимер с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 10 до 100000, пермаллой с магнитной проницаемостью, составляющей от 4000 до 8000 и аморфный углерод с электрической проводимостью, составляющей от 20 См/м до 1000 См/м.

Еще в одном варианте провод антенны выполнен из меди и имеет радиус, составляющий от 0,12 м до 0,6 м и диаметр 0,005 м. Радиус нижнего слоя составляет от 0,27 м до 1,35 м. Радиус слоя внутренней части составляет от 0,18 м до 0,9 м. Радиус верхнего слоя составляет от 0,12 м до 0,6 м. Высота каждого слоя составляет от 0,09 м до 0,45 м. Каждый слой оболочки выполнен из композиционного материала, содержащего титанат бария с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 500 до 10000, пермаллой с магнитной проницаемостью, составляющей от 4000 до 8000 и аморфный углерод с электрической проводимостью, составляющей от 10 См/м до 1000 См/м.

Еще в одном варианте провод антенны выполнен из меди и имеет радиус, составляющий от 0,5 м до 1 м и диаметр 0,005 м. Радиус нижнего слоя составляет от 1,5 м до 3 м. Радиус слоя внутренней части составляет от 0,75 м до 1,5 м. Радиус верхнего слоя составляет от 0,5 м до 1,0 м. Высота каждого слоя составляет от 1 м до 2 м. Каждый слой оболочки выполнен из композиционного материала, содержащего титанат бария с диэлектрической проницаемостью, составляющей от 500 до 10000, пермаллой с магнитной проницаемостью, составляющей от 4000 до 8000 и GaAs с электрической проводимостью, составляющей от 1 См/м до 1000 См/м.

Например, нижний слой 831 антенны 81 имеет толщину 0,05 м и диаметр 0,20 м и выполнен из композиционного материала, сконструированного из аморфного углерода с электрической проводимостью 15 См/м и феррита с относительной магнитной проницаемостью 100. Слой внутренней части 832 имеет толщину 0,05 м и диаметр 0,15 м и выполнен из композиционного материала, сконструированного из аморфного углерода с электрической проводимостью 10 См/м и феррита с относительной магнитной проницаемостью 100. Верхний слой 833 имеет толщину 0,05 м и диаметр D=0,1 ми выполнен из композиционного материала, сконструированного из аморфного углерода с электрической проводимостью 5 См/м и феррита с относительной магнитной проницаемостью 100. Радиус провода 82 антенны составляет R=0,05 м. Эта структура антенной системы обеспечивает высокое значение коэффициента направленности в 13 дБ и коэффициент сжатия частоты волны, равный 16000.

Антенная решетка 80 может содержать материал подложки или линзовый материал 84 с высокой магнитной проницаемостью, предназначенный для увеличения коэффициента направленности. Магнитная проницаемость линзовидного материала 84 превышает магнитную проницаемость внутренней части больше, чем в 5 раз. Таким образом, линзовидный материал 84 захватывает электромагнитную волну, образованную проводом 82 антенны 82, изменяя ее направление на обратное или сдвигая это направление по направлению к первому направлению. Взятые в качестве примера материалы с высоким значением магнитной проницаемости включают в себя железо, некоторые постоянные магниты, некоторые редкоземельные материалы и т.д.

На фиг.9 показан вариант реализации низкочастотной антенны 90. Антенна 90 содержит провод 91 линейной антенны с центральным питанием, полностью окруженный оболочкой 92. Оболочка 92 содержит несколько первых областей 93 и несколько вторых областей 94. Первая область 93 имеет магнитную проницаемость µ₁ первой области и диэлектрическую проницаемость ε₁ первой области. Вторая область имеет магнитную проницаемость µ₂ второй области и диэлектрическую проницаемость е2 второй области. Магнитная проницаемость µ₁ первой области, диэлектрическая проницаемость первой области ε₁ и магнитная проницаемость второй области µ₂ и диэлектрическая проницаемость второй области ε₂ неизменны при переходе от точки к точке. Каждая вторая область 94 выполнена в форме щели. Предпочтительно, чтобы каждая щель была заполнена материалом, соответствующим среде, в которой предположительно будет использоваться антенна. Например, щели заполнены воздухом, если антенна расположена в воздухе. Отношение между параметрами установлено одинаковым µ₁/µ_ц2=ε₁/ε₂, так чтобы коэффициент сжатия волны

$$f_{wc}=\sqrt{\frac{{\epsilon }_1{\mu }_1}{{\epsilon }_2{\mu }_2}}>1$$

мог быть достигнут без изменения полного волнового сопротивления Z ~ sqrt(□^- ₂ □₁) при перемещении от внутренней части оболочки 92 к ее внешней части.

Толщина каждой щели 94 и их количество можно изменено для достижения определенной комбинации увеличенного значения сопротивления излучения; уменьшенной реактивной составляющей полного сопротивления, ширины полосы, коэффициента направленности и т.д.

Предпочтительно, чтобы толщина щелей 94 не превышала 1/10L, где L - длина провода 91 антенны, чтобы обеспечивалась равномерное распределение параметров материала во внутренней части и соблюдалось условия согласования полного волнового сопротивления.

Предпочтительно, чтобы провод 91 антенны был окружен изолятором, имеющем толщину, не превышающую 1/100L, где L равно длине провода 91 антенны. Максимальное сопротивление излучения на рабочей резонансной частоте достижимо при стремящейся к нулю толщине изолятора.

Для достижения увеличенного ненаправленного коэффициента усиления по мощности для режима ТМ01 δ (поперечного магнитного) излучения, первая область 93 может быть выполнена из аморфного углерода, имеющего электрическую проводимость σ₁=17 См/м и спрессованного в круглое кольцо толщиной 5 мм. Количество колец равно 18. Общая высота оболочки 92 составляет от 0,51 м до 1,1 м, а радиус круглого кольца составляет от 0,5 м до 1,1 м. Вторые области выполнены в виде щелей. Количество щелей равно 17, причем каждая из них имеет толщину 0,1 см и заполнена ферритом с относительной магнитной проницаемостью µ₂=100.

Провод 91 антенны содержит два куска медного провода, имеющего диаметр 4 мм и длину, составляющую от 0,5 м до 1,0 м, с промежутком в центре. Провод 91 антенны изолирован тефлоновой лентой.

Вторые области 94 размещены на одинаковом расстоянии друг от друга таким образом, что ни одна вторая область 94 не размещена в середине оболочки 92, где размещен питаемый вход (не показан). Линии передачи прикреплены непосредственно к внутренним концам (не показаны) частей провода антенны.

В одном варианте самая низкая резонансная частотная мода в присутствии оболочки 92 установлена равной 12 МГц при сопротивлении излучения R_изл=1,5 Ом, полной мощности излучения Р_изл=100 Вт, входном напряжении 100 В и полном входном сопротивлении 50 Ом. Вторые области 94 обеспечивают согласование полных сопротивлений для компенсации емкостного реактивного сопротивления Z_емк=1 / 0,0027 нФ х 12 МГц=4,4·10⁺⁶ Ом антенны. Ширина полосы при наличии согласующей длину волны оболочке составляет 2 МГц.

Для сравнения, при полной мощности излучения Р_изл=100 Вт, входном напряжении 100 В и полном входном сопротивлении 50 Ом, самая низкая естественная резонансная частота того же излучателя без оболочки составляет 140 МГц при сопротивлении излучения Р_изл=0,03 Ом. В этом случае ширина полосы при отсутствии согласующей длину волны оболочки составляет 20 МГц.

Таким образом, включение магнитного материала в оболочку 92 обеспечивает увеличение ширины полосы на рабочей частоте и согласование полных электрических сопротивлений линий передачи.

В другом варианте реализации настоящего изобретения линейная антенна с центральным питанием содержит цилиндрическую оболочку 92, имеющую вторые* области 93, выполненные из феррита MnZn с относительной магнитной проницаемостью µ₁=1000 и электрической проводимостью σ₁=0,5 См/м. Оболочка 92 выполнена в форме цилиндра, имеющего высоту h=0,1 м, равную общей длине провода антенны, и диаметр 0,1 м. Оболочка 92 содержит 18 вторых областей в форме заполненных воздухом щелей 94 толщиной 0,001 м. Самая низкая резонансная частота составляет 500 кГц, сопротивление излучения составляет 1,2 Ом, а ширина полосы превышает 50 кГц.

Структура композиционных материалов с определенными значениями диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и электрической проводимости может быть получена путем спекания при использовании исходных материалов в виде порошка с определенным размером гранул и стехиометрии, а также текстурирования, например, выполнения в виде слоистой структуры. В качестве примера, двухфазный композиционный материал, обладающий равными значениями диэлектрической проницаемости и магнитной проницаемости для согласования с полным волновым сопротивлением воздуха, может быть выполнен в виде слоистой структуры, расположенной вдоль волнового вектора электромагнитной волны, например, в виде перемежающихся цилиндров в случае линейной заключенной в оболочку передающей антенны с центральным питанием, когда толщина каждого слоя намного меньше сжатой длины волны. Подробности строения слоистых композиционных материалов, а также нитевидных композитных структур, описаны например, в книге Д.С.Киллипс «Разработка композиционных материалов и определение их характеристик для радиочастотных приложений» (2007). Например, при чередовании цилиндрических слоев (BaTiO₃) / (феррит), каждый из которых имеет толщину 0,01 м с диэлектрической проницаемостью 10000 (BaTiO₃) и магнитной проницаемостью 10000 (феррит), линейная заключенная в оболочку антенна, имеющая провод антенны длиной 0,1 м обеспечивает возможность сжатия волны, примерно равной sqrt (10000×10000)=10000, уменьшая, тем самым; резонансную частоту с 1,4 ГГц для антенны того же самого размера без оболочки до 140 кГц для антенны с оболочкой. Другие конструкции с текстурированием, например, с внедренными сферическими зернами и стержнями, могут также быть использованы при изготовлении композиционных материалов.

На фиг.10 показан вариант реализации антенной решетки 100. Антенная решетка 100 содержит две антенны 101, подобные описанной выше антенне 90. Каждая антенна 101 содержит линейный провод 102 антенны, полностью заключенный в оболочку 103, подобную описанной выше оболочке 92, окружающей провод 102 антенны. Оболочка 102 подобна описанной выше оболочке 92.

Все антенны 101 размещены параллельно друг другу вдоль линий передачи (не показаны) и питаются синхронно. Количество антенн 101 и расстояние между ними может меняться. Антенная решетка 100 может быть использована для получения определенной диаграммы излучения, и в частности, увеличенного значения коэффициента направленности.

В одном варианте реализации настоящего изобретения система для дистанционного зондирования погруженного, или скрытого, объекта содержит по меньшей мере одну низкочастотную передающую антенну, выполненную с возможностью излучения электромагнитной волны по направлению к погруженному, или скрытому, объекту, и по меньшей мере одну низкочастотную приемную антенну, выполненную с возможностью приема электромагнитной волны от по меньшей мере одной низкочастотной передающей антенны. Каждая передающая антенна и каждая приемная антенна могут быть выполнены в виде антенн или антенных решеток, описанных выше со ссылками на фиг.1-10.

Описанная антенная система для дистанционного зондирования погруженного, или скрытого, объекта может быть использована для различных приложений. Например, указанная антенная система может быть использована для дистанционного зондирования залежей минералов, что также включает дистанционное сканирование образований, скрытых в высокопроводящей окружающей среде, посредством низких частот. В приложениях, связанных с геологической разведкой, компактная низкочастотная передающая антенна с широким частотным диапазоном сканирования (10 Гц - 1 МГц) обеспечивает возможность проведения дистанционного зондирования и спектрального анализа как мелкозалегающих, так и глубокозалегающих минеральных залежей без необходимости бурения скважин.

Настоящее изобретение имеет преимущество, заключающееся в использовании компактных низкочастотных передающих антенн с высоким (до 12 дБ) коэффициентом направленности при использовании их в виде единого блока с переменным параметром сжатия волны в пределах оболочки, что обеспечивает возможность проведения сканирования во всем (360 градусов) диапазоне углов и в азимутальной и в полярной плоскостях. Измерения могут быть выполнены как с поверхности, так и с воздушного транспортного средства. Моделирование методом конечных разностей по временной области (FDTD) на частотах 50 МГц и 500 кГц ясно показывает преимущество, выражающееся в увеличенной толщине скин-слоя на низкой частоте, равной 0,8 м и 7,1 м, соответственно, при наличии окружающих соседних залежей со средней электрической проводимостью 0,01 См/м. Следовательно, уменьшение частоты от 50 МГц до 500 кГц увеличивает диапазон прозрачности для электромагнитных волн на порядок величины, уменьшая, таким образом, поглощение в примыкающих областях перед тем, как происходит отражение от поверхности руды, такой как Ni-Cu-Pt (средняя электрическая проводимость 0,1 См/м). Амплитуду отраженной волны определяют относительным изменением квадратного корня из значения диэлектрической постоянной при прохождении через границу раздела, причем эта амплитуда не зависит от частоты. Важный вывод из результатов моделирования состоит в том, что полная трехмерная реконструкция геологического формирования может быть выполнена при дистанционном использовании в режиме отражения. Уменьшение рабочей частоты передающей антенны до 50 кГц приводит к толщине скин-слоя в 23 м, что во многих случаях достаточно велико для использования также режима передачи, который может быть скомбинирован с режимом отражения и выполнен одновременно с ним, если обеспечена возможность перемещения дополнительных приемных антенн вокруг рассматриваемой области.

Указанная система дистанционного зондирования может быть использована в режиме отражения, режиме дифракции или в режиме передачи, или их комбинации.

Например, низкочастотная передающая антенна содержит изолированный провод антенны в виде круговой рамки с диаметром провода антенны в 1 мм и радиусом антенной рамки R=0,05 м. Полное сопротивление линии передачи равно 3 Ом. Оболочка выполнена в форме цилиндра и имеет внешнюю часть с относительной магнитной проницаемостью внешней части µ_внешн=1, относительной внешней диэлектрической проницаемостью внешней части ε_ext=1 и электрической проводимостью внешней части оболочки σ_внеш=0,125 См/м. Радиус оболочки R=0,075 м, высота h=0,5 м. Приемная антенна выполнена в форме круглого кольца радиусом R-0,1 м, расположенного в той же самой плоскости, что и передающая антенна. Входная частота составляет от 100 кГц до 50 МГц, где 50 МГц взято в качестве самой низкой резонансной частоты. Обнаруживаемый материал представляет собой золото, имеющее электрическую проводимость σ=0,1 См/м, относительную диэлектрическую проницаемость ε - 10 и относительную магнитную проницаемость µ=1.

Низкочастотная передающая антенна излучает электромагнитную волну по направлению к исследуемой области. Происходит распространение электромагнитной волны через внешние среды до геологической формации с последующим отражением от этой формации. Далее, отраженная электромагнитная волна распространяется по направлению к низкочастотной приемной антенне, которая принимает эту электромагнитную волну.

Результаты исследования подтверждают высокую чувствительность принимаемого сигнала к площади поперечного сечения геологической формации в плоскости, перпендикулярной линии визирования, выходящей из точки стояния передающей антенны. Зависимость напряжения V от площади поперечного сечения А [м²] имеет вид

V=0,03 / (A×0,6+0,2) [В].

Кроме того, обнаруживаемая зависимость напряжения полученного сигнала от расстояния x [м] между геологической формацией и приемной антенной имеет вид V=0,l × х^0,045 [В]. Значительное угловое относительное изменение |ΔЕ/Е| интенсивности поля принятого излучения в присутствии геологической формации продемонстрировано на уровне до 40%. Однородная геологическая формация вокруг рассматриваемой геологической формации (пирит Fe2S) принята в качестве эталона.

Дистанционное зондирование скрытых объектов может быть выполнено с поверхности или воздушного транспортного средства при использовании радарного способа в режиме отражения, похожего на режим, описанный выше в связи с дистанционным зондированием геологических формаций. Способ эффективен, если градиент полного электрического сопротивления sqrt [µ/(ε+iσ/ω)] электромагнитной волны на границе объекта достаточно велик для использования режима отражения. Вследствие уменьшенного пространственного разрешения на низких частотах, поскольку длина волны велика по сравнению с размером объекта, эффективность измерений в режиме отражения должна быть увеличена посредством углового сканирования, то есть, посредством перемещения антенной системы вокруг исследуемой зоны.

Кроме того, указанные антенны могут быть использованы для медицинских целей, например в магнитной гипертермии. Это возможно потому, что частоты меньше 1 МГц не столь опасны для здоровья. Кроме того, возможный уровень облучения невелик. Из-за большой толщины скин-слоя и возможности использования дифракции, имеет место значительно меньший уровень энергетических потерь и необходимость в большой мощности отсутствует. Это означает, что при использовании таких антенн отсутствует возможная опасность для здоровья, связанная с воздействием радиоволн высокой мощности.

Согласно одному варианту реализации настоящего изобретения антенная система для дистанционной передачи энергии содержит низкочастотную передающую антенну, излучающую электромагнитную волну, и низкочастотную приемную антенну, принимающую электромагнитную волну, излучаемую низкочастотной передающей антенной. Каждая передающая антенна и каждая приемная антенна могут быть; выполнены в виде антенн или антенных решеток, описанных выше со ссылками на фиг.1-10.

Предпочтительно, чтобы низкочастотная передающая антенна была размещена в здании, а низкочастотная приемная антенна установлена на мобильном устройстве. Мобильное устройство выбирают из группы: ноутбуки, мобильные телефоны, электронные секретари, смартфоны, электронные планшеты. Кроме того, предпочтительно, чтобы низкочастотная приемная антенна была установлена на электрическом транспортном средстве.

Описанная система обеспечивает возможность эффективной беспроводной передачи энергии на большие расстояния, даже через Землю на низких частотах (1 кГц - 10 кГц). Вследствие большой глубины проникновения поля в материалы нет никакой необходимости в наличии линии прямой видимости для передачи энергии между передающей антенной и приемной антенной, например, большая глубина скин-слоя порядка длины волны в окружающей среде, нечувствительная к погодным условиям, представляет низкий риск для здоровья даже при облучении мощностью до 1 МВт.

Антенные решетки из компактных мощных передающих антенн и из компактных передающих антенн с высоким коэффициентом направленности могут быть использованы в различных системах сбора и передачи энергии, которые дополнительно содержат преобразователь частоты, размещенный в месте расположения передающей антенной решетки и решетки из приемных антенн. Беспроводная передача энергии не требует широкой полосы частот. Фактически, более высокая добротность (Q) (более низкая ширина полосы) совместима с более эффективной передачей мощности в пределах рабочей частоты.

Например, передача энергии происходит из Африки в Европу через океан. В Африке размещены солнечные батареи, накапливающие солнечную энергию. Общее количество солнечной энергии превышает 1 ГВт. Генератор преобразует солнечную энергию в переменный ток и затем подает его на низкочастотные передающие антенны. Передающие антенны имеют рабочую частоту 300 Гц, длина волны в воздухе составляет примерно 1000 км, что в этом пространственном масштабе означает ближнее к индукционной зоне поле, и содержат решетку линейных передающих антенн, каждая из которых имеет размер 10 м и окружена в и композитной текстурированной оболочкой, выполненной из аморфного углерода с электрической проводимостью 3 См/м и феррита с" магнитной проницаемостью 100. Электрическая проводимость океанической воды превышает 4,5 См/м, причем океаническая вода действует как волновод для передаваемой энергии. Переданную энергию получает ряд расположенных в Европе приемных антенн, каждая из которых окружена оболочкой, выполненной из магнитного непроводящего материала, например, феррита, для обеспечения возможности увеличенной эффективности приема, причем размер каждой элементарной приемной антенны может зависеть от обстоятельств и на низких частотах фактически не ограничен какими-либо фундаментальными ограничениями. Протяженность приемной антенной решетки обратно пропорциональна величине коэффициента направленности совокупности передающих1 устройств, но может быть сделана намного меньшей в зоне ближнего поля, поскольку нет никаких потерь энергии вследствие связи в ближнем поле.

Сниженные требования к ширине полосы делают этот тип мощных и обладающих очень высоким коэффициентом направленности систем для дистанционной передачи энергии чрезвычайно привлекательным для беспроводной передачи энергии, что также может быть использовано для дистанционного питания транспортных средств без необходимости прерывать движение, как на дорогах, так и в воздухе.

В одном варианте реализации настоящего изобретения имеет место сеть передающих антенн, размещенных по городу или на дорогах. Дистанционное питание транспортных средств происходит непрерывно во время движения транспортных средств. Например, автомобиль будет в состоянии пройти 200-250 км, имея короткие остановки на подзарядку около каждого светофора, вместо 150 км, как сейчас. Это может быть достигнуто при использовании антенной системы для передачи энергии. Передающая антенна содержит петлевой проводник антенны размером 1 м на рабочей частоте 300 Гц, и композитную текстурированную оболочку, выполненную из аморфного углерода с электрической проводимостью 300 См/м и феррита с относительной проницаемостью 100. Полное входное сопротивление линий передачи составляет примерно 0,02 Ом для обеспечения увеличенной передачи.

Антенная решетка приемных антенн установлена на транспортном средстве. Каждая из указанных приемных антенн имеет размер 0,1 м и окружена оболочкой, выполненной из магнитного материала с магнитной проницаемостью 1000 для увеличенной эффективности приема в зоне ближнего поля.

В другом варианте реализации настоящего изобретения указанные антенны использованы для дистанционной подзарядки, например, для подзарядки работающих от батареи роботов при их перемещении по различным комнатам и местам, разделенных стенами. Дополнительный вариант использования подзарядки представляют собой мобильные устройства, например портативные компьютеры и мобильные телефоны.

Для дистанционной подзарядки используют передающую антенну, установленную внутри здания и содержащую петлевой провод антенны, имеющий размер 1 м и рабочую частоту 300 Гц, окруженный композитной текстурированной оболочкой, выполненной из аморфного углерода с электрической проводимостью 300 См/м и феррита с магнитной проницаемостью 100. Входное сопротивление линий передачи составляет примерно 0,02 Ом для обеспечения увеличенного объема передачи.

В одном варианте реализации настоящего изобретения для достижения более высокой излучающей способности передающая антенна имеет телесный угол, в пределах которого имеет место максимум диаграммы излучения, размер которого соизмерим с угловым размером приемной антенны.

В одном варианте реализации настоящего изобретения рабочая частота электромагнитной волны передающей антенны выбрана так, чтобы обеспечить толщину скин-слоя внешней среды, по меньшей мере равную 2,7 г, где г представляет собой расстояние между передающей антенной и приемной антенной. Глубина проникновения электромагнитной волны в любой материал представляет собой толщину скин-слоя в этой среде, определяемую электрической проводимостью в этом материале, причем, по определению, толщина скин-слоя равна расстоянию, на котором интенсивность электромагнитной волны уменьшена в 2,7 раз.

В одном варианте реализации настоящего изобретения антенная система имеет обратную связь между передающей антенной и приемной антенной.

В случае передачи электромагнитной энергии в виде излучаемых электромагнитных волн, для улучшения эффективности передачи энергии может потребоваться обратная связь между передающей антенной и приемной антенной; размещенной на объекте получателя. В самой простой форме выполнения обратная связь может включать использование системы глобального позиционирования (GPS) или глобальной навигационной спутниковой системы (GLONASS) для обеспечения возможности определения положения дистанционно питаемого объекта в трехмерном пространстве и расположения передающей антенны таким образом, чтобы лепесток направленности ее излучения был направлен на объект; и использование коммуникационной пары (передающая антенна - приемная антенна), размещенной в месте расположения передающей антенны для передачи энергии, и коммуникационной пары (передающая антенна - приемная антенна), размещенной в месте расположения приемной антенны для приема энергии, расположенной на объекте, причем обе антенные пары использованы для связи. Используемые для связи передающая антенна и приемная антенна работают на дополнительной частоте, если частота передающей антенны для передачи энергии недостаточно высока, чтобы гарантировать ширину полосы, совместимую с поставкой глобальной информации о расположении. Вместо систем GPS или GLONASS также могут быть использованы другие способы определения расположения или навигации, например, радарная активная технология. В этом случае в месте расположения передающей антенны для передачи энергии дополнительно устанавливается радарная передающая антенна.

Например, по всему городу или на дорогах может быть развернута сеть из одной тысячи передающих антенн с высокой направленностью. Каждая передающая антенна имеет частоту 10 кГц и мощность 5 кВт. Толщина скин-слоя для зданий составляет от 15 м до 150 м. Транспортное средство снабжено приемной антенной или антенной решеткой. Дистанционное питание транспортного средства может быть осуществлено на расстояний 3 км посредством десяти самых близких к транспортному средству передающих антенн. В этом случае средняя эффективность передачи энергии составляет примерно 65%. Антенная система содержит беспроводную сеть малого радиуса действия (DSRC), обеспечивающую возможность обратной связи между передающими и приемными антеннами. Если во время передачи энергии с одной или с нескольких из указанных передающих антенн происходят большие энергетические потери, указанная беспроводная сеть малого радиуса действия отсоединяет приемную антенну, установленную на транспортном средстве, от этой одной или нескольких антенн. Это увеличивает эффективность передачи энергии до 85 процентов. Если мощности оставшихся передающих антенн недостаточно для питания транспортного средства, блок процессора подсоединяет другие передающие антенны, имеющие достаточную эффективность передачи энергии для обеспечения требуемого уровня питания. По окончании зарядки батареи происходит автоматическое отсоединение приемной антенны.

Кроме того, систему дистанционной передачи энергии можно использовать для улучшения системы безопасности транспортного средства. Например, если транспортное средство украдено, его невозможно спрятать на подземной парковке, в гараже и т.д., поскольку сигнал от антенны будет видим в любом случае. Компактная окруженная оболочкой передающая антенная, установленная на припаркованном транспортном средстве и имеющая рабочую частоту 100 кГц, обеспечивает возможность проникновения излученных сигналов через бетонные плиты (электропроводность бетона, как предполагается, равна 0,01 См/м) вплоть до 16 м общей толщины. Обычная передающая антенна сходного портативного размера работала бы на частоте 10 МГц и выше, что ограничивает глубину проникновения через бетонные плиты величиной 1,6 м.

Обладающие такими характеристиками антенны могут быть использованы в зоне землетрясения. В случае разрушения здания местоположение людей внутри здания может быть обнаружено, если такие антенны, размещены, например, на одежде. Кроме того при наличии на каждом этаже здания датчиков, оборудованных такими антеннами, позволяет определить степень разрушения здания. При установке указанных антенн на оборудовании, размещенном в здании, возможно осуществлять дистанционное управление указанным оборудованием, например, посредством дистанционного прекращения подачи энергии.

В одном варианте реализации настоящего изобретения описанные антенны использованы в электронных браслетах для детей, собак, преступников и т.д. В этом случае рабочая частота в 20 кГц обеспечивает высокий уровень прозрачности для передаваемых сигналов и не должна представлять какой-либо опасности для здоровья, если плотность мощности передающей антенны удерживают ниже уровня 1,0 Вт/см².

В другом варианте реализации настоящего изобретения описанные антенны использованы в черном ящике системы обеспечения безопасности самолетов. Это предпочтительно, в частности, с учете того, что черный ящик может упасть в морскую воду, которая представляет собой проводящую среду, менее прозрачную на более высоких частотах. Например, на частоте 1 МГц толщина скин-слоя для морской воды составляет лишь 20 см, а на частоте 100 Гц эта толщина равна 23 м.

Кроме того, описанные антенны могут быть использованы для связи на низких частотах. Низкие (50 Гц - 300 кГц) и средние частоты (300 кГц - 3 МГц) предоставляют уникальные возможности, например, очень устойчивые условия распространения и способность проникать через море и землю. Кроме того, использование низкочастотных передающих антенн делает вопрос о размерах приемной антенны практически не имеющим значения. Это связано с тем, что на низких частотах атмосферные помехи превышают собственный шум приемной антенны и, таким образом, для приемной антенны отношение выходного сигнала к мощности шума не зависит от эффективности и размера антенны.

Фундаментальное затруднение при достижении эффективного излучения на низких частотах состоит в больших размерах передающей антенны, которые должны быть сопоставимы с длиной волны (λ) излучения в воздухе. При ограничении геометрии антенны вертикальным монополем с высотой h эффективность излучения антенны падает как отношение (h/λ)² при увеличении длины волны. Максимальная эффективность излучения достижима при высоте антенны h=1/4, что также обеспечивает возможность хорошего согласования с линией передачи с низким полным электрическим сопротивлением (50 Ом). Для средних частот (при частоте 600 кГц и длине волны излучения λ=500 м) максимальная эффективность излучения достижима при h - 125 м.

В настоящем изобретении предложено решение этой проблемы, согласно которому экстремальное сжатие волны в специально разработанной передающей антенне обеспечивает возможность связанного с этим уменьшения размеров. Улучшенная эффективность излучения и расширение полосы частот достижимы посредством согласования полного волнового сопротивления материала оболочки с полными волновыми сопротивлениями внешней среды и линий передачи при помощи комбинаций материалов с магнитными и проводящими свойствами с материалами с высоким значением диэлектрической проницаемости и текстурированной структуры оболочки.

Другие области приложения могут включать: системы содействия водителю; компактная мобильная связь; улучшенная возможность связи в зданиях, туннелях и шахтах; радионавигация, радиолокация; фиксированные и морские системы мобильной связи; аэронавигационные услуги; радиовещание; промышленные, научные и медицинские применения; радиоастрономия.

Claims (59)

1. Низкочастотная антенна, предназначенная для излучения/приема электромагнитной волны во внешнюю среду/из внешней среды, содержащая:
питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи,
провод антенны, соединенный с питаемым входом, и
оболочку, по меньшей мере частично окружающую провод антенны,
причем оболочка содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию,
внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, электрической проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части,
внешняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части оболочки от внутренней части оболочки к ее периферии,
причем структура или материал внешней части оболочки выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды.

2. Антенна по п. 1, в которой электрическая проводимость внешней части оболочки постоянна, а магнитная проницаемость внешней части оболочки и диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки увеличиваются.

3. Антенна по п. 1, в которой магнитная проницаемость внешней части оболочки постоянна, а электрическая проводимость внешней части оболочки и диэлектрическая проницаемость оболочки увеличиваются.

4. Антенна по п. 1, в которой диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки постоянна, а магнитная проницаемость внешней части оболочки и электрическая проводимость внешней части оболочки увеличиваются.

5. Антенна по п. 1, в которой происходит постепенное увеличение по меньшей мере двух величин из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки.

6. Антенна по п. 1, в которой происходит ступенчатое увеличение по меньшей мере двух величин из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки.

7. Антенна по п. 1, в которой магнитная проницаемость внешней части оболочки увеличивается в 5-20 раз.

8. Антенна по п. 1, в которой диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки увеличивается в 5-20 раз.

9. Антенна по п. 1, в которой электрическая проводимость внешней части оболочки увеличивается в 5-20 раз.

10. Антенна по п. 1, в которой магнитная проницаемость внешней части оболочки изменяется в 5-10 раз по сравнению со значением этой величины во внутренней части,
причем происходит постепенное или ступенчатое увеличение на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части оболочки и постепенное или ступенчатое увеличение на противоположной стороне внутренней части оболочки в направлении от внутренней части оболочки к периферии внешней части оболочки,
а отношение параметров, включающих диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и электрическую проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

11. Антенна по п. 1, в которой диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки изменяется в 5-10 раз по сравнению со значением этой величины во внутренней части,
причем происходит постепенное или ступенчатое увеличение на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части и постепенное или ступенчатое увеличение на противоположной стороне внутренней части в направлении от внутренней части до периферии внешней части оболочки,
а отношение параметров, включающих диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

12. Антенна по п. 1, в которой электрическая проводимости внешней части оболочки изменяется в 5-20 раз по сравнению со значением этой величины во внутренней части,
причем происходит постепенное или ступенчатое увеличение на одной стороне внутренней части в направлении от периферии внешней части оболочки к внутренней части и постепенное или ступенчатое увеличение на противоположной стороне внутренней части в направлении от внутренней части к периферии внешней части оболочки,
а отношение параметров, включающих диэлектрическую проницаемость, магнитную проницаемость и проводимость, во внешней части оболочки сохраняется равным этому отношению во внутренней части.

13. Антенна по п. 1, в которой магнитная проницаемость внешней части оболочки изменяется в диапазоне от 1 до 10⁶.

14. Антенна по п. 1, в которой диэлектрическая проницаемость внешней части оболочки изменяется в диапазоне от 1 до 10⁶.

15. Антенна по п. 1, в которой электрическая проводимость внешней части оболочки изменяется в диапазоне от 0 до 60×10⁶ См/м.

16. Антенна по п. 1, в которой оболочка содержит материал с высокой магнитной проницаемостью и высокой/низкой проводимостью, выбранный из группы:
металлическое стекло, наноперм, мю-металл, пермаллой, электрическая сталь, Ni-Zn феррит, Mn-ZN феррит, сталь, Fe₄₉Co₄₉V₂, Fe3%Si, Fe₆₇Co₁₈B₁₄Si₁, пермаллой Ni₅₀Fe₅₀, тонкая фракция Fe_73,3Si_13,5Nb₃B₉Cu₁, супермаллой Ni₇₈Fe₁₇Mo₅.

17. Антенна по п. 1, в которой оболочка содержит материал с высокой диэлектрической проницаемостью, выбранный из группы:
диоксид титана, титанат стронция, титанат бария-стронция, титанат бария, титанат циркония-свинца, сопряженные полимеры, титанат кальция-меди.

18. Антенна по п. 1, в которой оболочка содержит материал с умеренной/низкой проводимостью, выбранной из группы:
аморфный углерод, углерод в форме графита, константан, GaAs, манганин, ртуть.

19. Антенна по п. 1 в которой оболочка содержит метаматериал.

20. Антенна по п. 1, в которой рабочая частота антенны не превышает 1 МГц.

21. Антенна по п. 1, в которой рабочая частота антенны не превышает 2 МГц.

22. Антенна по п. 1, в которой рабочая частота антенны не превышает 3 МГц.

23. Антенна по п. 1, в которой линейный размер внутренней части превышает четверть длины провода антенны.

24. Антенна по п. 1, в которой внешняя часть выполнена из материала, выбираемого из группы материалов с постепенно или ступенчато изменяющимися параметрами, изменяющимися вдоль воображаемой линии, проходящей через среднюю точку внутренней части таким образом, что волновое сопротивление остается неизменным вдоль этой линии.

25. Антенна по п. 1, в которой отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки постоянно.

26. Антенна по п. 1, в которой отношение электрической проводимости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки постоянно.

27. Антенна по п. 1, в которой провод антенны выполнен в виде линейного проводника.

28. Антенна по п. 27, в которой длина провода антенны составляет от 0,001 м до 1 м.

29. Антенна по п. 1, в которой провод антенны выполнен в виде асимметричной рамки.

30. Антенна по п. 27, в которой диаметр рамки составляет от 0,05 м до 1 м.

31. Антенна по п. 29, в которой асимметричная рамка выбрана из группы, содержащей круговую, квадратную и ромбовидную антенные рамки.

32. Антенна по п. 1, в которой провод антенны покрыт изоляционным материалом, толщина которого не превышает 1/100L, где L равна длине провода антенны.

33. Антенна по п. 1, дополнительно содержащая линзовый материал с высокой магнитной проницаемостью для достижения увеличенного значения коэффициента направленности.

34. Антенна по п. 33, в которой высокая магнитная проницаемость превышает магнитную проницаемость во внутренней части по меньшей мере в 5 раз.

35. Антенна по п. 1, в которой оболочка имеет геометрическую форму, выбираемую из группы:
цилиндрический диск, разделенный на несколько областей цилиндр, разделенный на сектора цилиндр, цилиндрические кольца, треугольник, прямоугольник, прямоугольник с насечкой, оболочка со скошенной кромкой, конус, эллипсоид, сфера, полусфера, сферический сегмент, четырехгранник, перфорированная оболочка, ступенчатая оболочка или любая комбинация этих форм.

36. Антенна по п. 1, содержащая по меньшей мере один теплоотвод.

37. Антенна по п. 36, в которой теплоотвод представляет собой структурный элемент антенны.

38. Антенна по п. 1, содержащая усиление.

39. Антенна по п. 38, в которой усиление представляет собой структурный элемент антенны.

40. Антенна по п. 1, в которой оболочка содержит внешний слой, предотвращающий окисление оболочки.

41. Антенная решетка, содержащая несколько низкочастотных антенн, предназначенных для излучения/приема электромагнитных волн во внешнюю среду/из внешней среды, и соединительное устройство для соединения указанных низкочастотных антенн, в которой каждая антенна из указанных антенн содержит:
питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи,
провод антенны, соединенный с питаемым входом, и
оболочку, по меньшей мере частично окружающую провод антенны,
причем оболочка содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию,
внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, электрической проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части,
внешняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части оболочки от внутренней части оболочки к ее периферии,
причем структура или материал внешней части оболочки выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды.

42. Антенная решетка по п. 41, выполненная в виде одномерной антенной решетки.

43. Антенная решетка по п. 41, выполненная в виде двумерной антенной решетки.

44. Антенная решетка по п. 41, дополнительно содержащая несколько фазирующих устройств, индивидуальных для каждой антенны.

45. Система для дистанционного зондирования погруженного, или скрытого, объекта, содержащая
по меньшей мере одну низкочастотную передающую антенну, выполненную с возможностью излучения электромагнитной волны по направлению к погруженному, или скрытому, объекту,
по меньшей мере одну низкочастотную приемную антенну, выполненную с возможностью приема электромагнитной волны по меньшей мере от одной низкочастотной передающей антенны,
в которой каждая из по меньшей мере одной низкочастотной передающей антенны и по меньшей мере одной низкочастотной приемной антенны содержит:
питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи,
провод антенны, соединенный с питаемым входом возбуждения, и
оболочку, по меньшей мере частично окружающую провод антенны,
причем оболочка содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию,
внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, электрической проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части,
а внешняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части оболочки от внутренней части к периферии оболочки,
причем структура или материал внешней части оболочки выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды.

46. Система по п. 45, в которой низкочастотная передающая антенна и низкочастотная приемная антенна объединены вместе.

47. Система по п. 45, в которой низкочастотная передающая антенна и низкочастотная приемная антенна размещены на расстоянии друг от друга.

48. Система по п. 45, в которой система работает в режиме, выбранном из группы:
режим отражения, режим дифракции, режим передачи или режим, являющийся комбинацией этих режимов.

49. Система для дистанционной передачи энергии, содержащая
по меньшей мере одну низкочастотную передающую антенну, выполненную с возможностью подсоединения к источнику энергии и излучения электромагнитной волны к потребителю энергии,
и по меньшей мере одну низкочастотную приемную антенну, выполненную с возможностью подсоединения к потребителю энергии и с возможностью взаимодействия по меньшей мере с одной низкочастотной передающей антенной посредством приема электромагнитной волны, излученной низкочастотной передающей антенной,
в которой каждая из по меньшей мере одной низкочастотной передающей антенны и по меньшей мере одной низкочастотной приемной антенны содержит
питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи,
провод антенны, соединенный с питаемым входом, и
оболочку, по меньшей мере частично окружающую провод антенны,
причем оболочка содержит внутреннюю часть, примыкающую к проводу антенны, и внешнюю часть, примыкающую к внутренней части и имеющую периферию,
внутренняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что каждая из величин магнитной проницаемости внутренней части оболочки, электрической проводимости внутренней части оболочки и диэлектрической проницаемости внутренней части оболочки постоянна в пределах внутренней части,
внешняя часть оболочки имеет такую структуру или выполнена из такого материала, что по меньшей мере две величины из магнитной проницаемости внешней части оболочки, электрической проводимости внешней части оболочки и диэлектрической проницаемости внешней части оболочки увеличиваются вдоль по меньшей мере одного направления в пределах внешней части оболочки от внутренней части оболочки к ее периферии,
причем структура или материал внешней части оболочки выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды,
посредством чего потребитель энергии может быть снабжен энергией из источника энергии, когда по меньшей мере одна низкочастотная передающая антенна и по меньшей мере одна низкочастотная приемная антенна взаимодействуют друг с другом.

50. Система по п. 49, в которой передающая антенна имеет телесный угол, соизмеримый с угловым размером приемной антенны.

51. Система по п. 49, в которой рабочая частота электромагнитной волны передающей антенны выбрана с возможностью обеспечения толщины скин-слоя в среде вне передающей антенны, по меньшей мере равной 2,7r, где r равно расстоянию между передающей антенной и приемной антенной.

52. Система по п. 49, содержащая обратную связь между передающей антенной и приемной антенной.

53. Система по п. 49, в которой низкочастотная передающая антенна расположена в здании, а низкочастотная приемная антенна установлена на мобильном устройстве.

54. Система по п. 49, в которой мобильное устройство выбрано из группы: ноутбуки, мобильные телефоны, электронные секретари, смартфоны, электронные планшеты.

55. Система по п. 49, в которой низкочастотная приемная антенна установлена на электрическом транспортном средстве.

56. Система по п. 49, в которой система работает в режиме, выбранном из группы:
режим дифракции, режим передачи или режим, являющийся комбинацией этих режимов.

57. Низкочастотная антенна, предназначенная для излучения/приема электромагнитной волны, причем антенна содержит:
питаемый вход, выполненный с возможностью соединения с линией передачи,
провод антенны, соединенный с питаемым входом, и
оболочку, по меньшей мере частично окружающую провод антенны,
в которой оболочка имеет магнитную проницаемость оболочки, электрическую проводимость оболочки и диэлектрическую проницаемость оболочки и содержит несколько чередующихся первых областей и вторых областей,
при этом каждая первая область имеет магнитную проницаемость первой области, электрическую проводимость первой области и диэлектрическую проницаемость первой области,
а каждая вторая область имеет магнитную проницаемость второй области, электрическую проводимость второй области и диэлектрическую проницаемость второй области,
причем магнитная проницаемость первой области, электрическая проводимость первой области и диэлектрическая проницаемость первой области выше магнитной проницаемости второй области, электрической проводимости второй области и диэлектрической проницаемости второй области, а
отношение магнитной проницаемости первой области к диэлектрической проницаемости первой области остается постоянным в пределах первой области и равным отношению магнитной проницаемости второй области к диэлектрической проницаемости второй области.

58. Антенна по п. 57, в которой протяженность каждой второй области не превышает 1/10L, где L равно длине провода антенны.

59. Антенна по п. 57, в которой каждая вторая область представляет собой воздух.

Images