Аннотация

Настоящая статья является продолжением исследований, представленных в статье «Распространение заузленных электромагнитных волн в атмосфере».

В результате проведенных натурных исследований в безэховых условиях на неотражающем стенде ФАР в виде двух пятилистников получено, что на дистанциях радиосвязи вблизи начала волновой зоны Фраунгофера 6λ÷24λ изменение среднего уровня погонного затухания примерно равно 1.8 дБ, а изменение дистанции радиосвязи от 24λ до 48λ показало практически нулевое изменение среднего затухания, что находится в пределах погрешности анализатора цепей равное 0,4 дБ.

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.

Проведение измерения погонного затухания сигнала с учётом кручения косы из 5-ти лучей пятилистников линейной ФАР из двух элементов на дистанциях радиосвязи до 6 м (48 длин волн) на предмет достижения минимального затухания.

Место проведения эксперимента:

Место проведения эксперимента: Московская область.

Время проведения эксперимента: 11.10. 2016 г.

Условия проведения эксперимента: температура 6⁰С, влажность 80%, пасмурно

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 N9917A (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. Важно, что опытном путём приёмная мачта разворачивалась относительно передающей мачты примерно на угол 5 град вокруг горизонтальной оси вдоль направляющих, по минимуму потерь, чтобы совместить в пространстве спирали косы передающей и приёмной антенн.

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

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.

Уровень суммарных потерь в приёмном и передающем кабеле длиной 20 м без антенн приведён на графике рис. 3.

Рис. 3 Потери в измерительном кабеле длиной 20 м.

Из рис. 3 видно, что потери в кабеле длиной 20 м в диапазоне частот 2 ГГц÷ 2,5 ГГц в среднем равны -11 дБ.

График суммарного затухания в кабелях и двух состыкованных ФАР приведён на рис. 4.

Рис.4 График суммарного затухания в кабелях и двух состыкованных ФАР

Из график на рис. 4 видно, что средний уровень суммарных потерь в кабеле и потерь на возбуждение поперечной компоненты в полосе частот 2,25÷2,45 ГГц существования продольной компоненты заузленной ЭМВ равен –48 дБм, эту величину надо вычитать из всех последующих графиков, чтобы получить значение погонного затухания. Центральная частота на метке «2» 2,326 ГГц длина волны порядка ~13 см.

Сначала проводились измерения погонного затухания продольной компоненты заузленной ЭМВ на дистанции радиосвязи 37, 5 см (порядка 3 длин волн ~3λ, т.е. в волновой зоне Френеля) результат измерения приведён на графике рис.5. Причём использовался режим осреднения (накопления) по 100 сканирований частоты (Avg 100 на фото экрана слева).

Рис. 5 График затухания продольной компоненты заузленной ЭМВ на дистанции радиосвязи 37, 5 см (порядка 3 длин волн ~3λ, т.е. в волновой зоне Френеля)

Из графика видно, что средний уровень потерь равен –63 дБм, а минимальные потери на метке «3» –62,12 дБм, тогда за вычетом потерь в кабелях и на возбуждение поперечной компоненты ЭМВ среднее погонное затухание равно -15 дБм. Поскольку ФАР излучает в обе стороны, то погонные потери в одном направлении равны -12 дБм.

Затем проводилось измерение затухания на удвоенной дистанции радиосвязи 75 см (примерно ~6λ в начале волновой зоны Фраунгофера) результат измерения приведён на рис. 6.

Рис. 6 График затухания продольной компоненты заузленной ЭМВ на дистанции радиосвязи 75 см (порядка 6 длин волн ~6λ, т.е. в начале волновой зоне Фраунгофера)

Из графика видно, что средний уровень потерь равен –63,6 дБм, а минимальные потери на метке «3» –61,9 ≈ –62 дБм, тогда среднее погонное затухание равно -15,6 дБм.

Результат измерения на удвоенной дистанции радиосвязи 150 см (примерно ~12λ) приведён на рис. 7.

Рис. 7 График затухания продольной компоненты заузленной ЭМВ на дистанции радиосвязи 150 см (порядка 12 длин волн ~12λ, т.е. в начале волновой зоне Фраунгофера)

Из графика видно, что средний уровень потерь равен –64,6 дБм, а минимальные потери на метке «4» –63,44 дБм, тогда среднее погонное затухание равно -16,6 дБм.

Следующее измерение проведено на дистанции радиосвязи 3 м (порядка 24 длин волн ~24λ), результат измерения показан на рис. 8.

Рис.8 График затухания продольной компоненты заузленной ЭМВ на дистанции радиосвязи 3 м (порядка 24 длин волн ~24λ, т.е. в начале волновой зоне Фраунгофера)

Из графика видно, что средний уровень потерь равен –67,5 дБм, а минимальные потери на метке «2» –66,73 дБм, тогда среднее погонное затухание равно -19,5 дБм.

Последнее измерение проведено на удвоенной дистанции радиосвязи 6 м (порядка 48 длин волн ~48λ), результат измерения показан на рис. 9.

Рис.9 График затухания продольной компоненты заузленной ЭМВ на дистанции радиосвязи 6 м (порядка 48 длин волн ~48λ, т.е. в начале волновой зоне Фраунгофера)

Из графика видно, что средний уровень потерь равен –67,5 дБм, а минимальные потери на метке «4» –66,01 дБм, тогда среднее погонное затухание равно -19,5 дБм.

ВЫВОД

Из результатов измерения на дистанциях радиосвязи вблизи начала волновой зоны Фраунгофера 6λ÷24λ изменение среднего уровня погонного затухания примерно равно 1.8 дБ, однако изменение дистанции радиосвязи от 24λ до 48λ показывает практически нулевой темп изменения среднего затухания, что находится в пределах погрешности анализатора цепей равное 0,4 дБ.

Примерно такое же изменение затухания наблюдается для величины минимального затухания. Следовательно, благодаря достигнутого совпадения спиралей (геликоиды) заузленной приёмной и передающей антенны в составе ФАР обеспечено достижение минимальных погонных потерь (менее 3,5 дБм) заузленной продольной компоненты ЭМВ и достижение практически нулевого темпа затухания при удвоении дистанции связи, т.е. погонное затухание стремится к нулю при увеличение дистанции связи на практически любой сфере S³ расслоенного пространства.

Обнаружено, что диаграмма направленности заузленной ЭМВ сужается с увеличением дистанции радиосвязи. Следует напомнить, что для поперечной ЭМВ темп затухания равен 6 дБ при удвоении дистанции связи и, наоборот, диаграмма направленности расширяется. Что и требовалось доказать.