Напечатать документ Послать нам письмо Сохранить документ Форумы сайта Вернуться к предыдущей
АКАДЕМИЯ ТРИНИТАРИЗМА На главную страницу
Институт Физики Вакуума - Эксперимент

Смелов М.В.
Экспериментальное исследование распространения заузленной электромагнитной волны, индуцированной заузленной антенной в натурных безэховых условиях

Oб авторе


В статье описываются результаты эксперимента по распространению заузленной электромагнитной волны, индуцированной заузленной антенной в натурных безэховых условиях.

Заузленная антенна представляла собой линейную фазированную антенную решетку (ФАР), состоящую из двух элементов в виде заузленных антенн каждая в форме пятилистников.

Целю экспериментов было доказать аномально низкое погонное затухание заузленной электромагнитной волны, индуцированной этой ФАР в волновой зоне Фраунгофера на больших дистанциях радиосвязи до 48 длин волн λ~13 см (до 6 м).

Теоретический аспект существования заузленного электромагнитного поля состоит в следующем. Техника эксперимента базируется на выводах теоретического исследования новых нетривиальных топологических решениях уравнений Максвелла, записанных во-вторых внешних дифференциальных формах. Именно существование этих уравнений доказывает реальность расслоения Хопфа в гиперсферу S3[1] физического пространства (вакуума), где стереографическая проекция параллелей S3 в каждой её точке на наше наблюдаемое 3-мерное евклидово пространство имеет форму заузленных 3-х мерных торов. Линии меридианов (окружностей Виларсо) на поверхностях этих торов задают орбиты группы U(1) внутренней симметрии электромагнитного поля (т.е. слои главного расслоения), эти линии в физических размерностях и определяют силовые линии магнитного и ортогонального электрического поля, а связность этого главного расслоения определяет напряжённость физических полей. По сути, эти заузленные торы (или узлы торического многолистника) силовых линий электромагнитного поля и являются указанным выше топологическим решение уравнений Максвелла.

При движении (качении) заузленного тора вдоль его оси, которое происходит по меридианам гиперсферы S3 (это прямые линии в стереографической проекции на 3-х мерное евклидово пространство), образуется кручёный луч электромагнитной волны (ЭМВ) излучения. Этот луч представляет собой касательную развёртку силовых линий торического многолистника в форме топологической косы кручёных лучей (касательных векторов Пойтинга), исходящих от плоскости каждой петли этого многолистника. Плоскости этих петель образуют геликоидальные фронты заузленной волны, а нормали к фронтам образуют спирали геликоид кручёной электромагнитной волны с ненулевым спином и орбитальным моментом. Переплетёные спирали (касательные вектора Пойтинга) и материализуют указанную выше топологическую косу решения уравнения Максвелла.

Для эксперимента было важно то, что в силу описанной геометрии начальные условия Коши уравнений Максвелла расслоенного пространства S3 в момент времени возбуждения косы заузленной ЭМВ определяются именно на поверхности заузленной антенны, форма и размер петли которой в виде пятилистника должны совпадать с формой и размером петли торического узла заузленной ЭМВ в каждый момент времени (это движение узла определяет феномен течения времени).

Если все петли пятилистника имеют тождественную конфигурацию, то ось косы прямая, в противном случае излучающие петли расфазируются в пространстве-времени и ось косы изгибается в пространстве-времени в форме биений напряжённости полей.

Технологически было сложно создать тождественную конфигурацию петель: ось излучения (косы) неопределённо изгибалась в пространстве и времени, и необходимо было юстировать передающую ФАР и приёмную ФАР путём их линейного и углового взаимного перемещения в пространстве так, чтобы спираль косы излучения ФАР и спирали парциальных излучений петель элементов ФАР максимально совпали в пространстве. При их совпадении наблюдался максимум сигнала для каждой дистанции радиосвязи, что составляло основную трудность эксперимента.

Для реализации указанной цели была создана передающая ФАР и аналогичная приёмная ФАР, а также стенд, на котором размещались эти ФАР в натурных безэховых условиях. Типичная конструкция элемента ФАР в форме пятилистника описана в статьях [2÷5], в которых показаны ещё антенны в форме трилистника и пятнадцатилистника.

Конструкция передающей и приёмной ФАР показана на фото (рис. 1), вид сбоку.


Рис. 1 Фото передающей ФАР (слева) и приёмной ФАР (справа) на поворотно-сдвиговых устройствах с элементами в виде пятилистниковых антенн

Каждый элемент ФАР с габаритным диаметром 9 см выполнен в виде пятилистника из эмалированной медной проволоки диаметром 1,25 мм на резонансную частоту петли 2,5 ГГц (длина волны λ=12 см равна длине одной петли пятилистника). Поскольку данная ФАР представляет собой замедляющую систему как вдоль оси ФАР, так и вокруг оси ФАР, то длина волны в ФАР уменьшается примерно на 5 %, и, как следствие, для ФАР не выполняется условие резонанса по этой длине волны. Поэтому рабочая частота уменьшается на этот процент, т.е. до резонансной частоты ФАР равной 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 cм, поэтому поперечная компонента электромагнитной волны (ЭМВ) каждого элемента ФАР возбуждается в противофазе вдоль оси стержня. Поэтому эта компонента 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 одному двадцатипятилистнику.

В передающей ФАР создаются пятилистники правой намотки (правой спиральности), а приёмной ФАР - левой намотки (левой спиральности), чтобы согласовать геликоидальность лучей излучение петель пятилистников и ФАР, так как оси излучения передающей и приёмной ФАР противоположно направлены. Точная длина стержня по оси симметрии ФАР, возбуждающего и стабилизирующего узел силовых линий поля, равная ~λ/2=6,3 cм (подбирается экспериментально по минимуму КСВн), а возбуждается этот стержень с одного конца последовательно подключённым полуволновым вибратором (λ/2=6,3 cм) с симметрирующим и согласующим U-коленом по 50-ти омному кабелю. Другой конец стержня является излучающим заузленную ЭМВ. Общая длина стержня ~12,6 cм.

Стенд представляет собой созданную диэлектрическую неотражающую конструкцию, показанную на рис. 2, состоящую из направляющих длиной 6 м, передающей и приёмной мачты высотой 3 м, диэлектрическое 2-х степенное поворотное устройство с кулисно-рычажным механизмом, 2-степенное поворотное устройство из органического поликарбонатного стекла, 4-х степенные поворотно-сдвиговые столики из органического стекла для размещения на них передающей и приёмной ФАР. Поворотные устройства с установленными на них ФАР в процессе измерения затухания сигнала показаны на рис. 3. Следует отметить, что вся конструкция собрана без металлического крепежа: на клею и диэлектрических штифтах. Для связи антенн с измерительным прибором используется радиочастотный кабель типа RG-58 передающего тракта длиной 6 м с разъёмом N-типа (вилка) и такого же типа кабель приёмного тракта длиной 14 м.

В качестве измерительного оборудования использовался малогабаритный векторный анализатор цепей типа N9918A (Field Fox) до 18 ГГц фирмы KeySight Technology (США).


Рис. 2 Фото стенда с диэлектрическими мачтами и направляющими, показано расстояние между мачтами 6 м.


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

Необходимость создания стенда для измерения затухания на больших дистанциях радиосвязи до 48 длин волн состоит в том, что ранее полученные результаты, описанные в [2÷5], относятся к начальным значениям волновой зоны Фраунгофера до 15 длин волн для осевых ФАР с 5% влиянием реактивностей ближней неволновой зоны. Поэтому для достижения большей достоверности, с точки зрения исключения влияния ближней зоны, и был создан указанный безэховый стенд. Измерение отражённых внешних сигналов, проведённое с помощью передающих и приёмных полуволновых вибраторов, показало отсутствие отражений до уровня шумов векторного анализатора цепей –95 дБм.

Методика проведения эксперимента состояла в том, что вначале установочные места для ФАР на вертикальных мачтах юстировались по лазерному лучу на определённых дистанциях радиосвязи кратным двум L=3λ, 6λ, 12λ, 24λ, 48λ (6 м), чтобы фиксировать в пространстве прямую линию электромагнитного луча лазера. Далее на эти места устанавливались ФАР, и их оси были направлены по этим прямым. Затем на передающую ФАР подавался СВЧ сигнал с генерирующего выхода анализатора цепей, а на вход его подавался сигнал от приёмной ФАР. На каждой дистанции связи проводилось измерение погонного затухания сигнала по максимуму сигнала при сдвигах ФАР в пределах λ/2, путём сдвига ФАР в поворотно-сдвиговом устройстве мачт и наклона всей приёмной мачты относительно вертикали.

Экспериментально было обнаружено, что линия распространения излучения заузленной ЭМВ не прямая линии, заданная при юстировке, а представляет собой расходящуюся спираль (геликоиду) топологической косы. Максимальный наклон приёмной мачты относительно вертикальной передающей мачты равен примерно 30, при этом спираль косы излучения передающей ФАР максимально совмещается со спиралью косы передающей ФАР на всех дистанциях радиосвязи. Именно для таких положений передающей ФАР на этих дистанциях радиосвязи снимались графики затухания сигнала в полосе частот существования заузленной ЭМВ.

При калибровке измерительной схемы установлено, что уровень суммарных потерь в канале передающего и приёмного кабеля длиной 20 м равен –11дБм. Кроме того, существуют потери на возбуждение поперечной компоненты ЭМВ, возбуждаемой ортогонально оси ФАР.

График суммарного затухания в кабелях и двух состыкованных центральными стержнями 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 заузленной ЭМВ 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 именно погонного затухания сигнала. Частота 2,326 ГГц на метке «2» соответствует длине 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 (индикация Avg 100 на фото экрана слева).


Рис. 5 График затухания продольной компоненты заузленной ЭМВ на дистанции радиосвязи 37, 5 см (порядка 3-х 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, т.е. 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-и 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 средний уровень погонного затухания –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-и 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 средний уровень погонного затухания –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-х длин волн ~24λ, т.е. в волновой зоне Фраунгофера)

Из графика видно, что средний уровень потерь равен –67,5 дБм, а минимальные потери на метке «2» –66,73 дБм. Тогда средний уровень погонного затухания –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-и длин волн ~48λ, т.е. волновой зоны Фраунгофера)

Из графика видно, что средний уровень потерь равен –67,5 дБм, а минимальные потери на метке «4» –66,01 дБм. Тогда средний уровень погонного затухания –19,5 дБм. Из сравнения с результатом на графике рис. 8 следует, что средний темп уровня погонного затухания почти равен нулю при удвоении дистанции радиосвязи с 3 м до 6 м при погрешности измерительного прибора 0,4 дБм.

Провалы на графиках затухания обусловлены влиянием резонанса на гармониках замедляющих систем ФАР.

Для достоверности была проведено 10 повторяющихся серий измерений через интервал расстояния вдоль направляющей стенд равного L≈11 см шагу спирали геликоиды излучения каждой петли пятилистника. Типичное изменения минимума затухания (на метках «2» и «3») на дистанциях радиосвязи, начиная с 3L до 57L, приведены в таблице 1.

Таблица1

3L

–64,3 дБм

4L

–65,64 дБм

5L

–66,05 дБм

6L

–67,74 дБм

7 L

–66,73 дБм

8L

–64,15 дБм

9L

–64,66 дБм

10L

–65,66 дБм

11L

–64,01 дБм

12L

–64,24 дБм

13L

–66,31 дБм

14L

–65,62 дБм

15L

–66,35 дБм

16L

–66,58 дБм

17L

–68,28 дБм

18L

–66,24 дБм

19L

–67,50 дБм

20L

–68,97 дБм

21L

–69,44 дБм

22L

–68,37 дБм

22L

–68,63 дБм

23L

–70,83 дБм

24L

–70,28 дБм

25L

–69,06 дБм

26L

–68,58 дБм

27L

–69,52 дБм

28L

–70,44 дБм

29L

–69,45 дБм

30L

–70,08 дБм

31L

–69,95 дБм

32L

–69,34 дБм

33L

–69,43 дБм

34L

–70,26 дБм

35L

–69,27 дБм

36L

–69,66 дБм

37L

–69,43 дБм

42L

–69,45 дБм

39L

–70,43 дБм

40L

–70,08 дБм

41L

–69,51 дБм

38L

–70,07 дБм

43L

–67,93 дБм

44L

–68,60 дБм

45L

–69,43 дБм

45L

–68,07 дБм

46L

–69,11 дБм

47L

–68,60 дБм

48L

–69,67 дБм

49L

–70,34 дБм

50L

–71,05 дБм

51L

–70,08 дБм

52L

–69,03 дБм

53L

–69,39 дБм

54L

–68,84 дБм

55L

–68,60 дБм

56L

–68,50 дБм

57L

–69,53 дБм

 

При этом график калибровки показан на рис. 10


Рис. 10 График калибровки суммарных потерь

Из графика на рис. 10 видно, что средний уровень суммарных потерь равен –50 дБм. Эта величина вычитается из затуханий измеренных на всех дистанциях радиосвязи (в таблице 1), поэтому получается следующая таблица 2 погонных затуханий в одном направлении (ещё на 3 дБ меньше и после округления).

Таблица 2

3L

–11 дБм

4L

–13 дБм

5L

–13 дБм

6L

–15 дБм

7 L

–14 дБм

8L

–11 дБм

9L

–12 дБм

10L

–13 дБм

11L

–11 дБм

12L

–11 дБм

13L

–13 дБм

14L

–13 дБм

15L

–13 дБм

16L

–14 дБм

17L

–15 дБм

18L

–13 дБм

19L

–14 дБм

20L

–16 дБм

21L

–16 дБм,

22L

–15 дБм

22L

–16 дБм

23L

–18 дБм

24L

–17 дБм

25L

–16 дБм

26L

–16 дБм

27L

–17 дБм

28L

–17 дБм

29L

–16 дБм

30L

–17 дБм

31L

–17 дБм

32L

–16 дБм

33L

–16 дБм

34L

–17 дБм

35L

–16 дБм

36L

–17 дБм

37L

–16 дБм

42L

–16 дБм

39L

–17 дБм

40L

–17 дБм

41L

–17 дБм

38L

–17 дБм

43L

–15 дБм

44L

–16 дБм

45L

–16 дБм

45L

–15 дБм

46L

–16 дБм

47L

–16 дБм,

48L

–17 дБм

49L

–17 дБм

50L

–18 дБм

51L

–17 дБм

52L

–16 дБм

53L

–16 дБм

54L

–16 дБм

55L

–16 дБм

56L

–16 дБм

57L

–16 дБм


Интегральный график погонного затухания заузленной ЭМВ на различных дистанциях радиосвязи приведён на рис. 11.


Рис. 11 График погонного затухания. Кружками отмечены отсчёты.

Наблюдаемые осцилляции графика на рис. 11 обусловлены спиральностью (геликоидальностью) лучей излучения каждой петли пятилистника ФАР.

Диаметр этих спиралей каждой петли в косе излучения равен примерно 2 см (с учётом длины волны λ =13 см вдоль спирали и шага спирали L≈11см), т.е. излучение распространяется в трубке этого диаметра. Кроме того, как следует из точных решений нелинейных (солитонных) дифференциальных уравнений Хопфа для электромагнитного поля в гиперсфере S3, диаметр этой трубки сужается по экспоненциальному закону, а следовательно полная энергия излучения вдоль меридиана вокруг сферы S3 конечна и равна энергии, затраченной в передающей антенной на возбуждение заузленной ЭМВ. Осцилляции имеют большое значение в переходной волновой области Френеля (3L÷12L), и кривая погонного затухания стабилизируется в начале волновой зоны Фраунгофера (12L÷24L) для осевой ФАР. Далее на кривой графика наблюдаются стабильные почти периодические колебания погонного затухания по причине геликоидальности кручёного излучения в пределах ± 0,5 дБм относительно значения –16,5 дБм. Поэтому темп затухания равен 0,5 дБм, а на дистанции ≥ 48L темп погонного затухания стремится к нулю на протяжении всего меридиана сферы S3, т.е. образуется космическая струна конечной энергии виртуальных заузленных фотонов-солитонов в виде новых решений указанных дифференциальных уравнений Хопфа применительно к уравнениям Максвелла

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.


ВЫВОД

Из результатов измерения на дистанциях радиосвязи установлено, что вблизи начала волновой зоны Фраунгофера 12L÷24L (где L≈11 см шаг спирали геликоиды) изменение среднего уровня погонного затухания равно примерно 0,5 дБ, но уже для дистанции радиосвязи от 24L до 57L наблюдается практически нулевое изменение среднего затухания (темпа затухания), что находится в пределах погрешности анализатора цепей равной 0,4 дБ.

Следовательно, благодаря пространственной настройке приёмной мачты относительно передающей мачты достигнуто совпадение спиралей (геликоиды) заузленной приёмной и передающей антенны в составе ФАР, что обеспечило достижение минимальных погонных потерь заузленной продольной компоненты ЭМВ и достижение практически нулевого темпа затухания, а точнее - темп погонного затухания стремится к нулю при увеличении дистанции связи по меридиану на сфере S3 расслоенного пространства практически любого радиуса.

Диаграмма направленности заузленной ЭМВ сжимается с увеличением дистанции радиосвязи, в то время как для поперечной ЭМВ диаграмма направленности наоборот расширяется и темп затухания равен 6 дБ при удвоении дистанции связи. Что и требовалось доказать.


ЛИТЕРАТУРА

1. A. F. Ranada, J. L. Trueba Topological electromagnetism with hidden nonlinearity. Сборник: Modern nonlinear optics Part 3. Second Edition Advances in chemical physics. Volume 119. 2001 John Wiley & Sons, Inc. ISBNs: 0-471-38932-3 (Hardback); 0-471-23149-5 (Electronic), р 197.

2. Нефёдов Е.И., Ермолаев Ю.М., Смелов М.В. Экспериментальное исследование возбуждения и распространения заузленных электромагнитных волн в различных средах. М.: Радиотехника, № 2, 2013 г, стр. 31.

3. Смелов М.В. Экспериментальное исследование сверхсветовой скорости распространения заузленных электромагнитных волн в вакууме. М.: Радиотехника, № 1, 2015 г, стр. 70.

4. Смелов М.В. Экспериментальное исследование заузленных антенн в форме трилистника и пятилистника. М.: Радиотехника, № 2, 2013 г, стр. 23.

5. Смелов М.В. Экспериментальное исследование фазированной антенной решётки из четырёх заузленных антенн в форме пятнадцатилистиков. М.: Антенны , вып. 9, (208), 2014, стр. 18.



Смелов М.В., Экспериментальное исследование распространения заузленной электромагнитной волны, индуцированной заузленной антенной в натурных безэховых условиях // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.22635, 20.10.2016

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru