Аннотация

Проведены натурные исследования в безэховых условиях на неотражающем стенде ФАР в виде двух пятилистников.

Из результатов натурных экспериментов установлено, что в пределах ближней зоны и в волновой зоне Френеля темп нарастания затухания при удвоении дистанции радиосвязи R равен 6 дБ, как у полуволнового вибратора, а в волновой зоне Фраунгофера этот темп не соответствует закону (~1/R²) и равен 1,23 дБ. Обнаружен эффект самосинхронизации в вакууме двух ФАР (подобно затягиванию частоты связанных резонаторов), который проявляется в пространственно-временной синхронизации пяти геликоидальных лучей пятилистников в общую топологическую косу излучения и приёма, при этом достигается минимальный уровень затухания и минимальный темп затухания (меньший на 4 дБ) при удвоении дистанции радиосвязи.

Исследования проведены совместно с Фондом перспективных технологий и новаций (Исполнительный директор В.Ю. Татур) в рамках программ «Новые физические принципы электромагнитной связи» и при содействии компании "KeySight Technologies" (США), предоставившей прецизионную радиоизмерительную технику.

Цель эксперимента.

Доказать существование заузленной электромагнитной волны на дистанции радиосвязи, большей чем 5÷6 длин волн (до 48 длин волн), т.е. далеко в зоне Фраунгофера, когда максимально компенсирована поперечная компонента в каждой ФАР.

Условия эксперимента

Место проведения эксперимента: Московская область.

Время проведения эксперимента: 09.09. 2016 г.

Условия проведения эксперимента: температура 14⁰С, высокая влажность 90%, дневное время при переменной облачности, что важно для условия распространения заузленной электромагнитной волны, поскольку когда густая облачность, то отсутствует ультрафиолет и нет ионизации атмосферы, при солнечном освещение есть ультрафиолет и есть ионизация атмосферы.

Оборудование.

Специальное оборудование.

Антенны в виде ФАР представляют собой осевую ФАР, показанную на рис. 1 сбоку и - рис. 2 спереди. Каждый элемент ФАР выполнен в виде пятилистника на резонансную частоту петли 2,5 ГГц (длина волны λ=12 см равна длине одной петли пятилистника), поскольку данная ФАР представляет собой замедляющую систему, то длина волны в ФАР уменьшается примерно на 5 % и в антенне не выполняется условие резонанса по этой длине волны, поэтому рабочая частота уменьшается на этот процент, т.е. до 2,375 ГГц (длина волны в свободном пространстве 12,6 см, тогда в петле пятилистника замедляющей системы ФАР она сократится на те же 5%, т.е. до 12 см). Элементы ФАР расположены по оси, возбуждающего стержня на расстоянии ~0,5λ=6,3 мм, поэтому поперечная компонента электромагнитной волны (ЭМВ) каждого элемента ФАР возбуждается в противофазе вдоль оси стержня, поэтому интерференционно гасится в волновой зоне в направлении перпендикулярном оси, а продольные заузленные компоненты ЭМВ каждого элемента, наоборот, складываются в направлении оси по напряжённости поля, причём степень заузливания возрастает мультипликативно, т.е. в 5х5=25 раз и соответствует двадцатипятилистнику. В передающей ФАР реализуются пятилистники правой намотки (правой спиральности), а приёмной ФАР - левой намотки (левой спиральности), чтобы согласовать геликоидальность излучение петель пятилистников, противоположно направленных осей передающей и приёмной ФАР.

Длина возбуждающего стержня по оси симметрии ФАР равна ~λ (подбирается экспериментально по минимуму КСВн), а возбуждается этот стержень полуволновым вибратором с симметрирующим и согласующим U-коленом по 50-ти омному кабелю.

Измерительное оборудование.

Векторный анализатор цепей типа N9918A (Field Fox) до 18 ГГц фирмы KeySight.

Описание стенда.

Стенд в виде деревянной конструкции, описан в статье «Доказательство существования заузленной электромагнитной волны».

Конструктивные особенности данного стенда обусловлены в применение двух ФАР.

Рис. 1 Передающая и приёмная ФАР с элементами в форме пятилистников. Вид сбоку

На рис. 1 показано фото вида сбоку передающей и приёмной ФАР с элементами в форме двух пятилистников, установленными на поворотно-сдвиговых столиках, центральный возбуждающий стержень припаян к одному плечу полуволнового вибратора, центр вибратора питается СВЧ-током по коаксиальному волноводу через симметрирующее-согласующее U-колено.

Рис. 2 Передающей и приёмной ФАР с элементами в виде пятилистников.
Вид спереди

Размещение этих ФАР на мачтах в поворотных устройствах после центрирования осей показано на фото на рис. 3.

Рис. 3 Размещение передающей (слева) и приёмной ФАР (справа) на мачтах в поворотных устройствах.

На рис.3 показано фото размещения двух ФАР, центрированных по соосности. Кроме того, ФАР максимально выдвинуты из поворотных устройств, чтобы минимизировать влияние диэлектриков поворотных устройств, как отражающих элементов, по минимуму КСВн на входе ФАР (на входе возбуждающих вибраторах). Расстояние между концами центральных стержней ФАР равно 12,6 см длине волны поперечной и заузленной продольной компоненты ЭМВ в свободном пространстве.

Методика проведения эксперимента.

1. Определяется мешающий фон.

Собственный шум измерительного прибора определён ранее 17.08.2016 не хуже -95 дБм, отражённые сигналы окружающей среды на том уровне.

2. Проводится калибровка измерительной схемы.

Относительно заводской калибровки нулевого уровня определялись потери в кабеле длиной 1 м результат измерения показан на рис. 4.

Рис. 4 Потери в кабеле длиной 1 м.

На рис. 4 показан график затухания сигнала в калибровочном кабеле типа RG-58 50 ом длиной 1м с байнетными разъёмами типа BNC в сборке с разъёмами типа N, используемого измерительного прибора. Средний уровень потерь 2,33 дБ. Затем определялись потери в измерительном кабеле того же типа длиной 20, результат показан на рис. 5 без подключения антенн.

Рис. 5 Потери в измерительном кабеле длиной 20 м.

Из рис. 5 видно, что потери в кабеле длиной 20 м в диапазоне частот 2 ГГц÷ 2,5 ГГц в среднем равны -11 дБ.

Для сравнения ФАР и одиночной пятнадцатилистниковой антенной (в статье «Доказательство существования заузленной электромагнитной волны») на рис. 6 приводится график затухания сигнала в кабеле в сумме передающей и приёмной антенне при состыкованных центральных возбуждающих стержнях этих антенн.

Рис.6 Потери в измерительном кабеле длиной 20 м и двух пятнадцатилистниковых антеннах.

Из рис. 6 видно, что средний уровень паразитных потерь в кабеле и потерь (затрат СВЧ-энергии) на возбуждение излучения поперечной и продольной компоненты равен -35 дБ. За вычетом паразитных потерь -11 дБ в кабеле (рис. 5)

Затраты энергии на излучение двух антенн равны 24 дБ (потери -24 дБ) в основном эта энергия на излучение поперечной компоненты перпендикулярно оси антенн, а - одной антенны 12 дБ (потери в пересчёте на одну антенну -12 дБ).

На рис. 7 приводится график суммарного затухания сигнала в ФАР и кабелях длиной 20 м при соединении в стык центральных возбуждающих стержней обеих ФАР.

Рис. 7 График суммарного уровня потерь в двух ФАР и кабеле длиной 20 м при соединении в стык центральных возбуждающих стержней обеих ФАР

Из рис. 7 видно, что средний уровень потерь в полосе частот возбуждения равен -51 дБ, а за вычетом паразитных потерь в кабеле -11дБ, тогда потери на излучение в основном на поперечную компоненту ЭМВ равны -40 дБ и в пересчёте на одну ФАР равны -20 дБ. Если сравнить с потерями на одиночную антенну (по рис.6) равными -12 дБ, то видно, что потери возрастают не пропорционально числу элементов ФАР, т.е. не до -24 дБ, а лишь до -20 дБ, что на 4 дБ меньше. Это эффективное уменьшение потерь по поперечной моде за счёт интерференционного гашения излучения двух противофазных элементов ФАР вызывает желаемое перераспределение энергии на продольную заузленную компоненту и способствует её стабилизации в пространстве, что показывают последующие графики для разных дистанций радиосвязи до 6 м.

3.Проводятся измерения затухания на разных дистанциях радиосвязи.

Сначала измеряется затухание на дистанции 1,5λ≈18 см в волновой зоне Френеля между концами центральных возбуждающих стержней обеих ФАР, т.е. на расстоянии примерно12 см надо отметить, что сдвиг на 1/4λ вызывает сильное биение затухания особенно при увеличении дистанции радиосвязи. График затухания показан на рис. 8.

Рис.8 Затухание на дистанции радиосвязи 1,5λ=18 см.

Из рис. 8 видно, что полоса частот возбуждения продольной заузленной компоненты электромагнитной волны равно 200 МГц, а средний уровень затухания по меткам 1÷6 (максимумов биений) равен -58,7 дБм.

Следующее измерение проводится на удвоенной дистанции связи 3λ≈72 см.

График затухания на рис. 9

Рис. 9 График затухания на удвоенной дистанции радиосвязи 3λ=36 см в волновой зоне Френеля

Из рис. 9 видно, что средний уровень по меткам 2÷6 (метка 1 выбрасывается как аномальная) затухания возрос до величины равной - 64,7 дБм. Разность затуханий при удвоении дистанции радиосвязи равна 6 дБ, так же как для классического полуволнового вибратора.

Однако наилучший результат по минимальному затуханию достигается при подборе сдвига и взаимного поворота ФАР, результат показан на рис. 10.

Рис. 10 График минимального затухания на удвоенной дистанции радиосвязи 3λ=36 см при подборе сдвига и взаимного поворота ФАР.

Из сравнения графиков на рис. 9 и 10 видно, что затухание даже уменьшилось.

При следующем удвоении дистанции радиосвязи до 6λ≈72 см уже в волновой зоне Фраунгофера, характер затухания меняется и отличается от затухания полуволнового вибратора. Результат измерения показан на рис. 11.

Рис. 11 Рис. 9 График затухания на удвоенной дистанции радиосвязи 6λ=72 см в волновой зоне Фраунгофера.

Из графика на рис. 11 видно, что среднее затухание равно -65, 24 дБм и в сравнение с затуханием (- 64,7 дБм) на дистанции 3λ рис. 9, затухание увеличилось лишь на 0,5 дБм для полуволнового вибратор темп возрастания затухания 6 дБм при каждом удвоение дистанции.

Следующее увеличение дистанции радиосвязи производится до расстояния 12λ=144 см (почти 1,5 м). Результат измерения приводится на рис. 12.

Рис. 12 График затухания при удвоении дистанции радиосвязи до 12λ=144 см

Из рис. 12 видно, что средний уровень затухания равен -67,1 дБм и в сравнении с уровнем затухания -65,24 дБм на дистанции радиосвязи 12λ затухание возросло на 1,9 дБ, т.е. наблюдается биение затухания.

Следующее удвоение дистанции радиосвязи до 24λ=288 см (почти 3 м) дало результат, показанный на рис.13.

Рис. 13 График затухания при удвоении дистанции радиосвязи до 24λ=288 см

Из рис. 13 видно, что средний уровень затухания равен -67,8 дБм и в сравнении с уровнем затухания -67,1 дБм на дистанции радиосвязи 12λ затухание возросло на 0,7 дБ, т.е. наблюдается биение затухания.

При следующем удвоении дистанции радиосвязи до 48λ=576 см получен следующий результат, показанный на рис. 14.

Рис. 14 График затухания при удвоении дистанции радиосвязи до График затухания при удвоении дистанции радиосвязи до 48λ=576 см

На рис. 14 график затухание при удвоении дистанции связи до 48λ=576 см предельно достижимое расстояние на донном стенде по его длине.

Средний уровень затухания равен -69,6 дБм и в сравнении с уровнем затухания -67,8 дБм на дистанции радиосвязи 24λ затухание возросло на 1,8 дБ, т.е. наблюдается биение затухания.

Средний стабильный темп увеличения затухания при удвоении дистанции радиосвязи в два раза в зоне Фраунгофера начиная с дистанции 6λ до 48λ равен (0,5 дБ +1,9 дБ +0,7 дБ+1,8 дБ)/4=1,23 дБ

Темп возрастания затухания сигнала полуволнового вибратора при увеличении дистанции связи в два раза равен 6 дБ.

ВЫВОД

Из результатов натурных экспериментов установлено, что в пределах ближней зоны и в волновой зоне Френеля темп нарастания затухания при удвоении дистанции радиосвязи R равен 6 дБ, как у полуволнового вибратора, а в волновой зоне Фраунгофера этот темп не соответствует закону (~1/R²) и равен 1,23 дБ. Кроме того, замечено, что при сильной облачности, когда ультрафиолет отсутствует и создаётся слабая ионизация атмосферы, возникает низкая электропроводность атмосферы, и затухание продольной заузленной компоненты ЭМВ возрастает на 3 дБ. При прояснении уровень солнечного ультрафиолета возрастает и возрастает электропроводность атмосферы, и сигнал продольной заузленной компоненты возрастает. В противоположность этому для поперечной ЭМВ реализуется известный обратный эффект. Описанный эффект соответствует обнаруженному ранее прохождению заузленной ЭМВ через электропроводящую морскую воду. Обнаружен эффект самосинхронизации в вакууме двух ФАР (подобно затягиванию частоты связанных резонаторов), который проявляется в пространственно-временной синхронизации пяти геликоидальных лучей пятилистников в общую топологическую косу излучения и приёма, при этом достигается минимальный уровень затухания и минимальный темп затухания (меньший на 4 дБ) при удвоении дистанции радиосвязи. Это достигается начальным гальваническим контактом концов возбуждающих стержней ФАР перед процессом измерения, и затем медленным аккуратным раздвиганием мачт с ФАР на большое расстояние 3 м, 6 м без взаимных разворотов (перекосов и вибрации) осей ФАР.