Способ ионосферной радиосвязи в УКВ диапазоне

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИОНОСФЕРНОЙ РАДИОСВЯЗИ В УКВ ДИАПАЗОНЕ(71) Заявитель Военная академия Республики Беларусь(72) Авторы Нефедов Сергей Николаевич Заневский Дмитрий Валентинович(73) Патентообладатель Военная академия Республики Беларусь(57) Способ ионосферной радиосвязи в УКВ диапазоне, заключающийся в том, что радиосигнал излучают передающей антенной и при помощи приемной антенны принимают часть его, отраженную ионосферой, отличающийся тем, что принимают сигнал, отраженный от области повышенной электронной плотности, искусственно созданной в ионосфере путем концентрации в ней энергии излучения многочастотной антенной решетки,элементы которой излучают гармонический сигнал с фазо-частотным распределением,обеспечивающим условие синфазного сложения всех частотных составляющих в заданной области ионосферы благодаря ее дисперсионным свойствам. 5606 1 Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радиосвязи. Радиосвязь предлагается осуществлять в УКВ диапазоне через пассивный ретранслятор связи, представляющий собой область повышенной электронной плотности в заданном объеме пространства ионосферы и создаваемый путем концентрации там электромагнитной энергии,излучаемой многочастотной антенной решеткой. Известны и в настоящее время широко применяются традиционные способы концентрации энергии, описанные в 1, 2, такие как использование коллимированных лучей и их суперпозиции, а также фокусировка излучения в точку (аналоги). Существенным недостатком этих способов является то, что радиус их действия ограничен размерами зоны Френеля, что резко снижает их область применения. Также известны работы по сверхнаправленности и сверхразрешению, описанные в 36, в которых предпринимались попытки с использованием одночастотных антенных решеток решить задачу концентрации энергии в дальней зоне антенны (аналог). Но такие поля оказались практически нереализуемыми, так как решения оказались неустойчивыми. Известна также антенная решетка, излучающая концентрированное, направленное поле по патенту США 4.959.559, МПК 01 3/26, 1991, в котором задача канализации энергии излучения антенны была решена за счет расширения спектра излучаемого сигнала. Работы в этом направлении оживились после получения так называемых фокусных волновых мод (ФВМ) 7. ФВМ - это трехкоординатные решения уравнений Максвелла, описывающие электромагнитные пакеты, распространяющиеся в пространстве без расхождения. Их по другому называют квазифотонами, т.к. они подобно фотону обладают свойствами корпускулярно-волнового дуализма и являются решениями уравнения Шредингера. Однако ФВМ практически не реализуемы, т.к. имеют бесконечную энергию. Этот недостаток был преодолен в 8 и получено концентрированное, энергетически ограниченное решение уравнения Максвелла как суперпозиция ФВМ с определенной спектральной функцией. Антенна, реализующая такое поле, запатентована в 9 и представляет собой решетку, каждый элемент которой возбуждается индивидуальной возбуждающей функцией. Причем от оси антенны к периферии сложность возбуждающей функции возрастает. И, соответственно, чем больше элементов в решетке, тем на большем расстоянии компенсируется растекание поля в пространство (аналог). Однако техническая реализация такой решетки затруднена вследствие сложности технической реализации возбуждающих функций наносекундной длительности в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. Известен также способ организации связи ионосферной волной, описанный в 10 на с. 288-289, с. 343-344 (прототип). Он предполагает излучение радиосигнала передающей антенной, отражение его от ионосферы и прием отраженного сигнала приемной антенной. Отражение радиосигнала указанных частот происходит благодаря наличию в ионосфере свободных электронов, находящихся в постоянном магнитном поле Земли. Электронная плотность в ионосфере создается естественным солнечным и космическим излучением и зависит от времени года, суток и плотности воздуха на данной высоте. Максимальная электронная плотность ионосферы определяет максимальную частоту электромагнитной волны,вертикально падающую на ионосферу, которую она еще может отразить в данное время суток и года. Постоянное изменение солнечной активности в течение суток предполагает также необходимость в течении этого времени для обеспечения непрерывной радиосвязи изменять рабочие частоты. Кроме того, из-за сплошной области отражения вокруг Земли существует многолучевость радиосигнала, приходящего в точку приема, что вызывает глубокие замирания и ограничение частотной полосы безискаженной передачи информации. В соответствии с этим задачей изобретения является разработка способа ионосферной радиосвязи в УКВ диапазоне через область повышенной электронной плотности в ионосфере, создаваемую путем концентрации в заданном объеме пространства энергии излучения многочастотной антенной решетки. 2 5606 1 Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, является способом ионосферной радиосвязи в УКВ диапазоне, который в отличие от аналогов и прототипа обеспечивает увеличение верхней границы частотного диапазона и устраняет необходимость постоянной смены рабочей частоты в течение суток. Существование ограниченной в ионосфере области повышенной электронной плотности устраняет многолучевость радиосигнала в точке приема, что ведет к уменьшению глубины медленных и быстрых замираний и расширению полосы частот безискаженной передачи информации. Повышение рабочей частоты увеличивает информационную емкость канала связи и уменьшает уровень внешних помех. Искусственное повышение электронной плотности в заданном объеме пространства ионосферы достигается путем концентрации в нем энергии излучения многочастотной антенной решетки. В отличие от вышеуказанных способов концентрации энергии, предлагаемый способ имеет более простую техническую реализацию, а также он решает задачу концентрации энергии излучения антенны в заданной области дальней зоны путем отказа от использования одночастотных антенных решеток и несинусоидального возбуждения многочастотной решетки. Это позволяет создавать в заданной точке ионосферы область повышенной электронной концентрации, которая может быть использована в качестве пассивного ретранслятора связи. Отправной точкой в деле решения данной задачи является известный факт представления последовательности 5-импульсов в виде суперпозиции гармоник. Антенная система, реализующая данный принцип, представляет собой многочастотную антенную решетку с монохроматическим возбуждением. Каждый ее элемент запитывается монохроматическими сигналами, а частотное распределение на раскрыве - линейно-изменяющееся в двух плоскостях 0(-)м,(1) где ,- номер элемента по горизонтали и вертикали соответственно 0 - средняя частота излучения решетки м - частота модуляции или шаг частоты. Поле излучения такой решетки представляет собой последовательность пространственных радиоимпульсов, распространяющихся в пространстве на средней частоте излучения с частотой повторения, равной частоте модуляции, и поперечными размерами, определяемыми средними волновыми размерами антенны. Продольные размеры пространственного импульса определяются шириной спектра излучаемых частот. Такое поле определим как сфокусированное. Сфокусированное поле получается, если возбуждающие гармонические сигналы сфазированы так, что в произвольный момент времени они синфазны. При нарушении условия фазировки антенная решетка излучает широкополосное по частоте и распределенное практически равномерно по продольной координате поле. Такое поле определим как расфокусированное. Сфокусированное поле по своей структуре похоже на поле излучения одночастотной решетки с импульсным возбуждением, однако в случае использования многочастотной решетки нам открываются более широкие возможности управления полем и мы можем получать поля, не реализуемые традиционными способами. Так, например, мы получаем возможность концентрировать энергию излучения антенны в ионосфере, которая в коротковолновом диапазоне является дисперсионной средой. Для этого необходимо на апертуре многочастотной решетки установить фазовые сдвиги таким образом, чтобы в расчетной точке дисперсионной среды выполнилось условие синфазного сложения всех частотных составляющих за счет различного набега фазы на каждой частоте. Таким образом, расфокусированное, широкополосное поле малой амплитуды, излучаемое передающей решеткой, в заданной точке ионосферы преобразуется в узкополосное большой амплитуды. Другими словами, в заданной точке пространства происходит так называемая пространственно-временная свертка, т.е. резкое увеличение 3 5606 1 амплитуды за счет сужения частотного спектра. И чем шире полоса частот расфокусированного поля, тем значительней рост амплитуды в процессе его свертки. Следует отметить, что среднюю частоту излучения решетки следует выбирать на нелинейном участке дисперсионной характеристики, чтобы обеспечить полную расфокусировку всех частотных составляющих поля, в противном случае расфокусированное поле будет иметь локальный экстремум за счет синфазного сложения нескольких частотных составляющих, распределение фаз которых осталось линейным. Это уменьшит пространственно-временную базу поля В и, соответственно, уменьшит эффективность свертки. Пространственно-временная база поля определяется следующим образом где р, Ф, , Ф - угловые размеры расфокусированного и сфокусированного полей соответственно- ширина спектра излучаемого поля ф - фазовая скорость волны р - ширина расфокусированного пространственного импульса в продольной плоскости. Величина базы поля достигает максимального значения, когда энергия пространственного импульса распределится практически равномерно в продольной плоскости по всему пространственному периоду. Ионосфера представляет собой плазму, находящуюся в постоянном магнитном поле Земли, и, следовательно, она обладает анизотропными свойствами. При этом электрические параметры ионосферы и, би переменны и зависят от частоты излучения и собственной (критической) к частоты ионосферы, которая в свою очередь зависит от электронной плотности на данной высотекр ( )80.8( ) .(3) Как и любая другая анизотропная среда, ионосфера обладает свойством дисперсии ЭМВ. Дисперсионная характеристика ее имеет следующий вид ф ( ,)/ 1( кр ( ) /) 2 .(4) Особенностью дисперсионной характеристики ионосферы является зависимость фазовой скорости не только от частоты, но и от текущей высоты фазового фронта волны. Эта зависимость проявляется из-за зависимости критической частоты слоя от высоты, так называемой высотно-частотной характеристики. Это является положительным фактором,потому что, в отличие от дисперсионной характеристики замедляющей системы, волновода и др., реальная характеристика ионосферы практически не имеет линейных участков. Для анализа процесса нарастания пространственного импульса и определения формы области концентрации энергии проводился расчет поля излучения в процессе распространения в дисперсионной среде, фазовая скорость в которой зависит не только от частоты,но и от положения фазового фронта в ионосфере. Зависимость фазовой скорости от высоты ведет к тому, что при нарастании пространственного импульса не появляются побочные максимумы, сам процесс нарастания происходит плавно и быстро. Продольные размеры области концентрации уменьшаются. Электромагнитное поле малой напряженности практически не влияет на параметры ионосферы, поэтому при распространении расфокусированного широкополосного сигнала взаимодействия с ионосферой происходить не будет. Кроме того, для использования нелинейного участка дисперсионной характеристики слоя 2 ионосферы, средняя частота спектра должна быть близка к критической частоте слоя 2 (при вертикальном зондировании). Одновременно с этим она будет намного выше критических частот слоев 1, Е, . Следовательно, и поглощение энергии волны слоями ионосферы будет минимальным, и 4 5606 1 дисперсия сигнала в них будет выражена слабо. При этом расфокусированный широкополосный сигнал доходит до заданного объема концентрации практически без ослабления. В результате свертки широкополосного сигнала в области концентрации, его амплитуда резко возрастает. Увеличение амплитуды сфокусированного поля вызывает его взаимодействие с ионосферой. При этом возрастает кинетическая температура электронов Те. Возрастание температуры вызывает возрастание средней скорости электронов, с которой связано эффективное число соударений эф электронов с ионами и нейтральными частицами. В основном за счет эффекта прилипания и замедления процесса рекомбинации в заданном объеме ионосферы увеличивается концентрация электронов. Установлено, что нелинейные свойства плазмы проявляются только в том случае, когда амплитуда воздействующего поля больше амплитуды так называемого характерного или плазменного поля Еп.п 4,210 8 С е е ( 22 ) 2 ,эф где Се - средняя относительная энергия, передаваемая электроном при соударении с тяжелыми частицами. При упругих соударениях в слое Е составляет 10-3, в слое 2 - 10-4. При возрастании температур электронов до величин порядка 1040, что соответствует четырехкратному превышению амплитуды поля над амплитудой плазменного поля, электроны становятся способными производить ударную ионизацию газа. Таким образом, воздействие концентрированного излучения на ионосферу в области концентрации приводит к увеличению ее критической частоты и, следовательно, к повышению частоты вертикального зондирования, которую способна отражать эта область. Причем чем больше амплитуда концентрированного излучения, тем выше критическая частота и выше диапазон частот, ретранслируемый данным пассивным ретранслятором связи. При преодолении порога четырехкратного превышения амплитуды пространственных импульсов значения амплитуды плазменного поля произойдет качественное изменения динамики роста диапазона частот пассивного ретранслятора за счет появления эффекта ударной ионизации. Диапазон частот ретранслятора также повышается при наклонном падении ретранслируемой волны на его поверхность. Численно увеличение отражаемой частоты прямо пропорционально секансу угла падения волны 0(6)в 0,где в - максимальная частота вертикального зондирования, отражаемая пассивным ретранслятором связи. Для создания области повышенной электронной плотности многочастотная решетка в заданном объеме ионосферы производит концентрацию энергии. Амплитуда поля в области концентрации выбирается таким образом, чтобы обеспечить в этой области концентрацию электронов и их кинетическую температуру, обеспечивающие отражение верхней частоты диапазона ретранслируемого сигнала. После окончания работы связных станций,можно отключить многочастотную решетку. При этом участок ионосферы за счет процесса рекомбинации и уменьшения кинетической температуры электронов постепенно придет в нормальное состояние. Для пояснения сущности изобретения приводятся следующие фигуры чертежей. На фиг. 1 представлена пространственно-временная структура сфокусированного поля излучения многочастотной антенной решетки. На фиг. 1 а приведено трехмерное изображение структуры поля, на фиг. 1 б - ее картографическая проекция. На фиг. 2 для сравнения приведены картографические проекции полей излучения одночастотной и многочастотной антенных решеток. На фиг. 2 а показана картографическая проекция нескольких пространственных периодов поля излучения одночастотной решетки с импульсным возбуждением. На фиг. 2 б приведена картографическая проекция поля излучения многочастотной антенной решетки с непрерывным гармоническим возбуждением. На фиг. 3 показаны различия в принципах формирования полей излучения одночастотной и многочастотной антенных решеток на примере трехэлементной решетки. На 5 5606 1 фиг. 3 а приведен спектр возбуждения для 1, 2, 3 элементов и- спектр суммарного поля излучения одночастотной трехэлементной решетки с импульсным возбуждением. На фиг. 3 б показан спектр возбуждающей функции для тех же элементов и спектр суммарного поля излучения многочастотной трехэлементной решетки с непрерывным гармоническим возбуждением. На фиг. 4 представлена высотно-частотная характеристика (ВЧХ) ионосферы, исходя из которой производились расчеты. На фиг. 5 приведена дисперсионная характеристика ионосферы, рассчитанная с учетом ВЧХ, представленной на фиг. 4, для различных высот слоя 2. На фиг. 6 показан процесс пространственно-временной свертки поля при прохождении его через ионосферу с ВЧХ, представленной на фиг. 4. На фиг. 7 поясняется схема работы радиолинии по патентуемому способу радиосвязи. Таким образом, для осуществления изобретения необходимо наличие многочастотной решетки, каждый элемент которой возбуждается гармоническим сигналом или двумя гармоническими сигналами, с частотами, симметричными средней частоте решетки 0. Форма решетки (прямоугольная, гексагональная и др.), а также частотное распределение на апертуре (линейно изменяющееся в двух плоскостях и др.) выбираются таким образом, чтобы обеспечить формирование сфокусированного поля, описанного выше. Угловым положением области концентрации можно управлять изменением крутизны линейной составляющей фазового распределения, определяемого так же, как и для аналогичной одночастотной решетки на средней частоте 0. Расфазировка поля производится установкой на апертуре антенны нелинейного фазового распределения таким образом, чтобы в заданной точке ионосферы обеспечить пространственно-временную свертку, описанную выше. Нелинейная составляющая фазового распределения на апертуре антенны определяется расстоянием , пройденному волной в дисперсионной среде до центра объема концентрации.(7) Ф 2/ф(,). Возбуждаемая таким образом многочастотная антенная решеткадиапазона 1(фиг. 7) излучает широкополосное поле с величиной амплитуды, недостаточной для электрического пробоя тропосферы на пути распространения. При распространении поля в ионосфере 2 за счет ее дисперсионных свойств на заданном расстоянииот антенны 1 фазы всех частотных составляющих поля выровняются, и в области пространства 3 произойдет резкий рост амплитуды поля за счет выполнения условий синфазного сложения всех частотных составляющих. Рост амплитуды поля в области 3 ведет к увеличению там электронной плотности. Полученная таким образом область повышенной электронной плотности способна отражать часть радиосигнала, излучаемого передающей антенной 4, в направлении приемной антенны 5. Причем чем больше мощность излучения антенны 1,тем выше верхняя граница полосы частот ретранслируемого радиосигнала. Такой способ ионосферной радиосвязи по сравнению с традиционным способом радиосвязи ионосферной радиоволной позволяет увеличить верхнюю границу частотного диапазона, устранить зависимость рабочей частоты от времени суток и года, уменьшить уровень медленных и быстрых замираний и увеличить информационную емкость каналов связи. Источники информации 1. Стоук Дж. Введение в современную оптику и голографию. - М. Наука, 1973. 2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М. Наука, 1973. 3. Хансен Р.Ч. Фундаментальные пределы в области антенн // ТИИЭР. - Т. 69. - 2. - 1981. 4...// .48. - Р. 1164, 1960. 5...// Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.