Магнитная передающая антенна

Магнитная передающая антенна, отличающаяся тем, что передача/излучение мощности осуществляется посредством вращающегося постоянного магнитного поля.

Суть полезной модели: Магнитная передающая антенна, отличающаяся тем, что передача/излучение мощности осуществляется посредством вращающегося постоянного магнитного поля.

Описание полезной модели: Полезная модель относится к области связи, локациии может быть использованав качестве локатора/радара/передающей антенны в промышленности, в связи и в других применениях. Прототипом являются униполярные генераторы/моторы. [1]

На фиг. 1 схема магнитной передающей антенны с одним источником постоянного магнитного поля, на фиг. 2 схема магнитной передающей антенны на соосных источниках постоянного магнитного поля, на фиг. 3 схема магнитного поля в антенне на соосных источниках постоянного магнитного поля, на фиг. 4 схема магнитной передающей антенны на составном источнике постоянного магнитного поля: 1 - вращающийся с угловой скоростью W передатчик магнитной передающей антенны; 2 - привод вращения передатчика (1); 3 - схема питания, управления и измерения привода (2); 4 - тело локации или приемная антенна; 5 - магнитный экран; 6 - окно прозрачности в виде сектора круга (прорези в магнитном экране(5)); 7 - источник постоянного магнитного поля; B - направление вектора магнитной индукции передатчика (1), W - направление вращения источников постоянного магнитного поля (7) или передатчика (1); W2 - направление вращения магнитного экрана (5); D-габаритный размер тела локации (4) или эквивалентная высота приемной антенны (4), R - расстояние между передатчиком (1) и телом локации/приемной антенной (4), A - угол между вектором магнитной индукции B и плоскостью тела локации/приемной антенной(4); U - направление ЭДС (разности потенциалов/напряжения) в теле локации/приемной антенне (4); I_см - направление тока смещения в теле локации/приемной антенне (4); +Q и -Q - заряды в теле локации (4); N и S - магнитные полюса источника постоянного магнитного поля (7).

На фиг. 1 схема магнитной передающей антенны с одним источником постоянного магнитного поля (7), где передатчик (1) состоит из одного источника постоянного магнитного поля (7), вращающегося с угловой скоростью W. На фиг. 2 схема магнитной передающей антенны на соосных источниках постоянного магнитного поля, где составной передатчик (1) состоит из двух или более источников постоянного магнитного поля (7), которые имеют одну ось вращения. Полюса соседних источников постоянного магнитного поля (7) направлены встречно, т.е. N-N и S-S. Вращение всех источников постоянного магнитного поля (7) имеющих сонаправленные полюса N-S производится в одну сторону, а все источники постоянного магнитного поля (7) имеющие противоположные полюса S-N вращаются в противоположную сторону. Вращающиеся навстречу друг другу источники постоянного магнитного поля (7) имеют встречное направление полюсов магнитного поля, следовательно, в окружающем пространстве они создают сонаправленую ЭДС, т.е. составной передатчик (1) состоящий из соосных источников постоянного магнитного поля (7) (фиг. 2) полностью аналогичен вращающемуся передатчику (1) на одном источнике постоянного магнитного поля (7) (фиг. 1). Оптимально, чтобы угловые скорости вращения W всех источников постоянного магнитного поля (7) в составном передатчике (1) были равны. На фиг. 3 схема поясняющая увеличение значения индукции магнитного поля в составном источнике постоянного магнитного поля на расстоянии от него. На фиг. 4 схема магнитной передающей антенны на составном источнике постоянного магнитного поля, где передатчик (1) состоит из двух или более источников постоянного магнитного поля (7), которые расположены на одной плоскости, симметрично вокруг общей оси вращения так, что оси симметрии и вектор магнитного поля источников постоянного магнитного поля (7) направлены к центру общей оси вращения. Противоположные полюса магнитного поля источников постоянного магнитного поля (7) направлены по радиусам от центра общей оси вращения. Источники постоянного магнитного поля (7) размещаются вокруг общей оси вращения так, что происходит чередование полюсов N-S и S-N для каждых соседних источников постоянного магнитного поля (7). Магнитная передающая антенна (фиг. 4) может использоваться как с магнитным экраном (5), так и без него, т.к. при вращении создает в окружающем пространстве вращающееся переменное постоянное магнитное поле с частотой равной W=nW_вращ, где n - количество источников постоянного магнитного поля (7), расположенных на одной плоскости, симметрично вокруг общей оси вращения (фиг. 4) в передатчике (1), W_вращ - угловая частота вращения передатчика (1). Источником постоянного магнитного поля (7) может быть постоянный магнит или электромагнит, либо любой другой источник постоянного магнитного поля. Источник постоянного магнитного поля (7) может быть в виде цилиндра, кольца, параллелепипеда, конуса, пирамиды или любой другой геометрической формой. Экранирование вращающегося постоянного магнитного поля возможно только помещением передатчика (1) внутрь полностью замкнутого неподвижного магнитопровода (феррит, железо и др.), то оставляя в замкнутом неподвижном магнитном экране (5) окна прозрачности (6) в виде сектора круга (прорези в магнитном экране (5)), можно создавать узконаправленные передатчики (1) с любым требуемым углом распространения сигнала. Форма, сечение и материал магнитного экрана (5) может быть любым при условии выполнения функции экранирования магнитного поля передатчика (1). Так же для создания направления локации можно использовать источник постоянного магнитного поля (7) в виде сектора круга/кольца и т.п., если частоты вращения передатчика (1) и магнитного экрана (5) совпадают.

Принцип работы магнитной передающей антенны, основан на общеизвестном принципе работы униполярных генераторов, а именно, что в проводнике пересекающем линии перпендикулярного постоянного магнитного поля возникает ЭДС, направленная, согласно «правилу левой руки». Тело локации/приемная антенна (4) пересекают линии перпендикулярного постоянного магнитного поля передатчика (1), и в нем под действием силы Лоренца F _л=e(B×V) формируется ЭДС (разность потенциалов) U=VBD=WRBDSinA, направленная по телу локации/приемной антенне (4) перпендикулярно вектору магнитной индукции В и линейной скорости вращения V=WR постоянного магнитного поля, т.е. по радиус-вектору направленному на передатчик (1), где D - габаритный размер тела локации/приемной антенны (4), R - расстояние между передатчиком (1) и телом локации/приемной антенной (4), W - угловая скоростьвращения передатчика (1), В - значение магнитной индукции в теле локации/приемной антенне (4), А - угол между вектором магнитной индукции В и плоскостью тела локации/приемной антенны (4). Учитывая, что значение магнитной индукции с расстоянием убывает обратно пропорционально кубу расстояния 1/R³, то магнитная индукция в теле локации/приемной антенне (4) составит В=В₀v_объем/2R³, где v_объем - общий объем всех источников постоянного магнитного поля (7) в передатчике (1), В₀ - величина начальной магнитной индукции источников постоянного магнитного поля (7) в передатчике (1) (например: В₀ - остаточная магнитная индукция постоянного магнита), тогда напряжение в теле локации/приемной антенне (4) составит U=WRBDSinA=WDB₀v_объемSinA/2R², т.е. принимаемый сигнал в теле локации/приемной антенне (4) имеет зависимость обратно пропорциональную квадрату расстояния 1/R² между передатчиком (1) и телом локации/приемной антенной (4).

Применение передатчика (1) (фиг. 2, фиг. 4), состоящего из нескольких источником постоянного магнитного поля (7), позволяет многократно увеличить значение магнитной индукции в теле локации/приемной антенне (4), т.к. за счет «сжатия» магнитных полей между полюсами соседних источников постоянного магнитного поля (7), где полюса направлены встречно (т.е. N-N и S-S), происходит «вытеснение» магнитного поля в окружающее пространство (фиг. 3) и магнитная индукция в теле локации/приемной антенне (4) возрастает В=kВ₀v_объем/2R³, где k=1÷100 - коэффициент определяемый количеством писточников постоянного магнитного поля (7) в передатчике (1), отношением диаметра и высоты в источнике постоянного магнитного поля (7) и величиной зазора между соседними источниками постоянного магнитного поля (7). Коэффициент k имеет максимальное значение при большем количестве n источников постоянного магнитного поля (7) в передатчике (1) и при наименьшем зазоре. Использование составного источника постоянного магнитного поля в магнитной передающей антенне аналогично применению направленных антенн с коэффициентом направленности излучения в существующих системах локации. Кроме этого следует ввести коэффициент усиления m=1÷100 скорости вращения W, т.к. на краях окна прозрачности (6) происходит «деформация» магнитного поля, т.е. магнитное поле «отрывается» от магнитного экрана (5) не сразу, а с угловой задержкой, а «возвращается» в магнитный экран (5) наоборот с опережением. Следовательно, по оставшемуся окну прозрачности (6) вращающееся постоянное магнитное поле проходит с угловой скоростью mW, «догоняя» отставание, вызванное угловой задержкой. Величина коэффициента m определяется свойствами материала и геометрическими размерами магнитного экрана (5). Наибольшее значение коэффициента m достигается при максимально возможном значении относительной магнитной проницаемости материала (µ=10000÷200000) магнитного экрана (5) и максимально возможной толщине магнитного экрана (5), т.е. чем эффективнее магнитный экран (5) экранирует магнитное поле, тем больше величина коэффициента m.

Для изменения (модулирования) угловой частоты вращения W не требуется затрат энергии, т.к. при ускорении вращения требуется потребление энергии из источника питания (3) привода вращения (2), а при торможении практически всю затраченную энергию можно вернуть обратно в источник питания (3). Для вращения передатчика (1) требуется только незначительная мощность из источника питания (3) привода вращения (2) необходимая только для компенсации потерь от трения при вращении. Сравнение энергетических характеристик магнитной передающей антенны и существующих систем связи/локации показывает, что магнитная передающая антенна многократно (в порядки раз) более экономична. Эквивалентная мощность передатчика (1) будет равна P_{передатчик}=WY₀v_объем , где Y₀ - объемная плотность энергии в источнике постоянного магнитного поля (7). Тогда плотность мощности сигнала у тела локации/приемной антенны (4) составит =P_{передатчик}/4R²=WY₀v_oбъeм/4R². Например для неодимовых постоянных магнитов объемная плотность энергии составляет Y₀=200-300 кДж/м ³, соответственно при W=1000 и v_объем=1 м ³, мощность передатчика (1) составит P_{передатчик} =200*1000*1=200 МВт, но при этом затраты энергии на вращение передатчика (1) будут в 10⁴ раз меньше (максимум 20 кВт). Сравнение «габаритных мощностей» магнитной передающей антенны и существующих систем связи/локации показывает, что магнитная передающая антенна имеет кубическую зависимость (v_объем - объем всех источников постоянного магнитного поля (7) в передатчике (1)), тогда как в существующих системах связи/локации, «габаритная мощность» определяется площадью передающих антенн, т.е. квадратичная зависимость. Соответственно, например увеличение мощности передающей антенны в 1000 раз, за счет увеличения габаритов антенны, дает увеличение габаритного размера передающей антенны в существующих системах связи/локации в 1000=31,6 раза, а для магнитной передающей антенны только в 10 раз, т.е. магнитная передающая антенна превосходит по массо-габаритным характеристикам передающие антенны в существующих системах связи/локации.

Рассмотрим применение магнитной передающей антенны в качестве радара в системе локации, т.е. обнаружение тел локации (4) на расстоянии в любой среде. Под воздействием ЭДС в теле локации (4) происходит разделение зарядов на +Q/-Q и возникает ток смещения I_см=Q/tтак, что на диаметрально расположенных частях тела локации (4) скапливаются заряды противоположной полярности. Величина зарядов +Q/-Q определяется электрической емкостью тела локации (4), т.е. емкостью конденсатора С, образованного всеми диаметрально противоположными частями тела локации (4). При разделении зарядов +Q/-Q в теле локации (4) протекает ток смещения 1 смВ перпендикулярном постоянном магнитном поле В, созданным передатчиком (1) и возникает сила Ампера, равная F_a=I_см BD=BDQ/t, a т.к. заряд Q равен произведению электрической емкости конденсатора на напряжение ЭДС Q=CU и напряжение ЭДС равно U=VBD=WRBD, то F_a=CWR(BD)²SinA/t, где I_см =Q/t - ток разделения зарядов в теле локации (4), A - угол между вектором магнитной индукции B и плоскостью тела локации (4), t - время протекания тока смещения, определяемое электрической емкостью конденсатора С тела локации (4) и электрическим сопротивлением r материалов из которых состоит тело локации (4). В качестве времени t можно взять постоянную времени для RC цепи, тогда t=rCи следовательно сила Ампера примет вид F_a=WR(BD) ²SinA/r, т.е. не зависит от электрической емкости конденсатора С тела локации (4). Тогда сила Ампера F_a=W(DB ₀v_объем)²SinA/4r²R⁵. Противосила, равная силе Ампера F_a, будет воздействовать на передатчик (1), тормозя его вращение и/или увеличивая потребление энергии в приводе вращения (2) передатчика (1), т.к. согласно закону сохранения энергии, энергия на создание тока смещения 1 см B теле локации (4) должна быть затрачена в источнике, создавшем данный ток, т.е. в передатчике (1) в виде торможения вращения и/или увеличения потребления энергии в приводе вращения (2). По окончании воздействия передатчика (1) на тело локации (4), в теле локации возникнет обратный ток 1 см компенсации зарядов +Q/-Q, т.е. направление силы Ампера F_a изменится на противоположное, что вызовет ускорение вращения передатчика (1) и/или уменьшение потребления энергии в приводе вращения (2). Аналогичные процессы происходят в униполярных генераторах/двигателях [1]. Измеряя изменения скорости вращения и/или потребления энергии в приводе вращения (2), можно фиксировать наличие тела локации (4), его пространственную ориентацию и габаритные размеры. Момент силы, действующий на привод вращения (2) составит M=F_aR=W(DB₀v_объем)² SinA/4r²R⁴, а изменения мощности потребления из источника питания привода (2) составит Р=MW=(WDB₀ v_объем)²SinA/4r²R⁴, т.е. обратно пропорционально четвертой степени расстояния 1/R⁴ до тела локации (4). Тело локации (4) можно фиксировать и по току смещения I _см, возникающем в нем, т.е. принимать обратную электромагнитную волну тока смещения в теле локации (4). Принимать электромагнитную волну тока смещения можно как приемными электрическими антеннами, основанными на приеме электрического поля электромагнитной волны, так и приемными магнитными антеннами, основанными на приеме магнитного поля электромагнитной волны, т.е. можно использовать существующие типы приемных антенн. Величина тока смещения составит I_см =Q/t=U/r=WRBD/r=WDB₀v_объем/r2R², т.е. возникающий ток смещения обратно пропорционален квадрату расстояния 1/R² до тела локации (4), при этом мощность обратной электромагнитной волны, которая может быть принята на приемную антенну ослабнет на 1/R², т.е. зависимость принимаемого сигнала будет обратно пропорциональна четвертой степени расстояния 1/R⁴ до тела локации (4) P_cмпp=(WDB₀v_объем)² /2rR⁴.

Для создания направления локации, частоты локации и более простого определения пространственных координат тела локации (4) передатчик (1) должен иметь сектор локации (сектор излучения вращающегося постоянного магнитного поля), что достигается помещением вращающегося передатчика (1) в магнитный экран (5) с окном прозрачности (6) в виде сектора круга (прорези в магнитном экране (5)). При вращении магнитного экрана (5) с вращающимся передатчиком (1) внутри, сектор прозрачности (6) будет описывать круг в 360° с частотой вращения магнитного экрана (5). Частота вращения W передатчика (1) может не совпадать с частотой вращения W2 магнитного экрана (5). Магнитный экран (5) с окном прозрачности (6) кроме вращения может совершать колебательные движения с любым углом колебаний от 0° до 360°, т.е. углом локации. Количество окон прозрачности (6) в магнитном экране (5) может быть любым. Форма, сечение и материал магнитного экрана (5) может быть любым при условии выполнения функции экранирования магнитного поля передатчика (1). Так же для создания направления локации можно использовать источник постоянного магнитного поля (7) в виде сектора круга/кольца и т.п., если частоты вращения передатчика (1) и магнитного экрана (5) совпадают. Для магнитной передающей антенны на составном источнике постоянного магнитного поля (фиг. 4) без магнитного экрана (5) - локация всего окружающего пространства в пределах 360° происходит одновременно и непрерывно, что недостижимо в существующих системах локации, при этом в теле локации (4) будет ток смещения I_см=W_вращ DB₀v_объем/rR² и мощность у приемной антенны P_смпр =2(W_вpaщDB₀v_oбъeм)² /rR⁴.

Для определения пространственной ориентации тела локации (4) по всем трем координатам требуются два передатчика (1), плоскости вращения которых перпендикулярны. Совместная обработка информации с двух взаимно перпендикулярных передатчиков (1) позволяет получить информацию о всех трех пространственных координатах тела локации (4). Расстояние R между передатчиком (1) и телом локации (4) можно вычислить по временным задержкам, либо используя информацию с двух или более разнесенных на некоторое расстояние друг от друга передатчиков (1). В случае приема электромагнитной волны тока смещения, возможно, использовать только один передатчик (1) и существующие системы приема и обработки информации локации.

Пример расчета для тела локации (4), имеющих размер D=10 м (небольшой самолет), электрическое сопротивление можно принять r=0,01 ом (материал алюминий, реально значительно меньше), W=1000 об/с, В₀=1 Тл, v_объем=10 м³ , k=2, n=5, А=90°, тогда мощность принимаемого сигнала в случае измерения момента сил на передатчике (1) составит Р=(nWDkB ₀v_объем)²SinA/4r²R⁴=(1000000)²/0,395R ⁴2,5*10¹²/R⁴, а для приема обратной электромагнитной волны тока смещения мощность (без учета усилительных параметров приемной антенны) составит Р_смпр=(WDkB ₀v_oбъeм)²/2rR⁴1,6*10¹³/R⁴. Мощности принимаемых сигналов для различных расстояний приведены ниже в таблице:

Как видно из таблицы мощности принимаемых сигналов в обоих случаях более чем достаточны для уверенного приема сигнала от тела локации (4), а учитывая, что для вращения передатчика (1) требуется только незначительная мощность из источника питания (3) привода вращения (2) необходимая только для компенсации потерь от трения при вращении, то сравнение энергетических характеристик магнитной передающей антенны и существующих систем локации показывает, что магнитная передающая антенна многократно (в порядки раз) более экономична.

Рассмотрим применение магнитной передающей антенны в качестве передающей антенны в системе связи, т.е. передача информации на расстояние в любой среде. Информация в аналоговом или цифровом виде передается от передатчика (1) к приемнику информации (приемной антенне (4)) посредством модуляции угловой частоты вращения W пocтoяннoгo магнитного поля. Приемная антенна (4) пересекает линии перпендикулярного вращающегося постоянного магнитного поля передатчика (1), и в ней под действием силы Лоренца F_л=e(B×V) формируется ЭДС (разность потенциалов) U=VBD=WRBDSinA, направленная по антенне (4) перпендикулярно вектору магнитной индукции В и линейной скорости вращения V=WR постоянного магнитного поля, т.е. по радиус-вектору направленному на передатчик (1), где D - высота антенны (4), R - расстояние между передатчиком (1) и антенной (4), W - угловая скорость вращения передатчика (1), В - значение магнитной индукции в антенне (4), А - угол между вектором магнитной индукции В и плоскостью приемной антенны (4). Учитывая, что значение магнитной индукции с расстоянием убывает обратно пропорционально кубу расстояния 1/R³, то магнитная индукция в антенне (4) составит В=В₀v_объем/2R³, где V_объем - общий объем всех источников постоянного магнитного поля (7) в передатчике (1), В₀ - величина начальной магнитной индукции источников постоянного магнитного поля (7) в передатчике (1) (например: В₀ - остаточная магнитная индукция постоянного магнита), тогда напряжение в антенне (4) составит U=WRBDSinA=WDB₀ v_объемSinA/2R², т.е. принимаемый сигнал в антенне (4) имеет зависимость обратно пропорциональную квадрату расстояния 1/R ² между передатчиком (1) и антенной (4). Экранирование вращающегося постоянного магнитного поля возможно только помещением передатчика (1) внутрь полностью замкнутого неподвижного магнитопровода (феррит, железо и др.), то оставляя в замкнутом неподвижном магнитном экране (5) окна прозрачности (6) в виде сектора круга (прорези в магнитном экране (5)), можно создавать узконаправленные передатчики (1) с любым требуемым углом распространения сигнала.

Преимуществом магнитной передающей антенны является то, что практически не требуется затрат энергии на передачу/излучении мощности/локацию, т.к. для вращения передатчика требуется только энергия для компенсации трения вращения, в отличии от всех существующих систем локации/связи, требующих огромных затрат энергии на локацию/связь.

Вторым преимуществом является, то что современные средства создания «невидимости» на самолетах, кораблях и пр. не являются препятствием для магнитной передающей антенны, т.к. ЭДС будет наводится во всех металлических и электропроводящих частях «невидимки», что вызовет ответную реакцию передатчика (1) и возникнет ток смещения в «невидимки», который можно фиксировать по электромагнитной волне от тока смещения.

Третьим преимуществом является малое затухание передаваемого сигнала в среде распространения, например в атмосфере, воде и др., т.к. вращающееся постоянное магнитное поле практически невозможно экранировать и постоянное магнитное поле не затухает в любых средах (магнитный компас работает и на дне океана), а значит магнитная передающая антенна позволяет реализовать загоризонтную локацию, локацию «сквозь» любые тела на линии соединяющей передатчик и тело локации и локацию тел в воде на любой глубине (обнаружение подлодок), а так же позволяет реализовать постоянную двустороннюю связь с подлодками находящимися на любой глубине в океане, так же возможна загоризонтная связь или связь «сквозь» любые тела на линии соединяющей передатчик и приемник.

Четвертым преимуществом является, то что магнитная передающая антенна превосходит по массо-габаритным характеристикам передающие антенны в существующих системах связи/локации, т.к. имеет кубическую зависимость «габаритной мощности».

Ссылки:

[1] - Л.А. Суханов, Электрические униполярные машины, ВНИЭМ, Москва, 1964 г.

Магнитная передающая антенна, состоящая из вращающегося передатчика и магнитного экрана с окнами прозрачности, отличающаяся тем, что магнитная передающая антенна осуществляет передачу/излучение мощности посредством вращающегося постоянного магнитного поля и/или модуляции частоты вращения постоянного магнитного поля, передатчик может быть выполнен в виде одного вращающегося источника постоянного магнитного поля или передатчик может быть выполнен в виде соосных двух или более вращающихся источников постоянного магнитного поля, расположенных так, что полюса магнитного поля соседних источников постоянного магнитного поля направлены встречно, т.е. N-N и S-S, а вращение всех источников постоянного магнитного поля, имеющих сонаправленные полюса N-S, производится в одну сторону, а все источники постоянного магнитного поля, имеющие противоположные полюса S-N, вращаются в противоположную сторону, либо передатчик может быть выполнен в виде двух или более источников постоянного магнитного поля, расположенных на одной плоскости, симметрично вокруг общей оси вращения так, что оси симметрии и вектора индукции магнитного поля источников постоянного магнитного поля направлены строго по радиусам к центру общей оси вращения, источники постоянного магнитного поля размещаются вокруг общей оси вращения так, что происходит чередование полюсов N-S и S-N для каждых соседних источников постоянного магнитного поля; источником постоянного магнитного поля может быть постоянный магнит или электромагнит, либо любой другой источник постоянного магнитного поля; магнитный экран с окнами прозрачности в виде сектора круга (прорези в магнитном экране), который создает сектор и частоту излучения мощности/локации.