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

Смелов М.В.
Доказательство существования заузленной электромагнитной волны

Oб авторе


Аннотация

Проведены натурные исследования в безэховых условиях на неотражающем стенде. Получен результат темпа затухания от 2 дБ до 1,5 дБ для продольной заузленной компоненты электромагнитной волны, излученной заузленными пятнадцатилистниковыми антеннами, при удвоении дистанции связи, который принципиально отличается от темпа затухания поперечной электромагнитной волны. Это согласуется с более ранними результатами, полученными в безэховой камере для дистанций связи до 1,5.м (~12 λ).

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, т.е. далеко в зоне Фраунгофера.


Условия эксперимента

Место проведения эксперимента: Московская область.

Время проведения эксперимента: 12-17.08. 2016 г.

Условия проведения эксперимента: температура 280С, влажность 80%.


Оборудование.

Стенд представляет собой созданную деревянную неотражающую конструкцию, состоящую из направляющих длиной 6 м, деревянной передающей и приёмной мачты высотой 3 м (стандартные доски), деревянное 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 заузленных пятнадцатилистниковых антенн диаметром 90 мм на резонансную частоту 2,29 ГГц, выполненные из медной проволоки диаметром 1 мм. Следует отметить, что все деревянные конструкции собраны без металлического крепежа: на клею и деревянных 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.


Измерительное оборудование.

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

Лазерная указка на 10 мВт для юстировки направляющих, мачт и антенн.


Описание стенда.

Общий вид стенда с рабочим местом оператора показан на рис. 1-4 последовательно для разных дистанций связи кратным двум.

На рис. 1 приведён вид стенда для дистанции радиосвязи 0,75 м ≈ 6λ, где λ=13,1 см длина волны на центральной рабочей частоте 2,29 ГГц полосы существования продольной заузленной компоненты электромагнитной волны. На рис. 2 – для дистанции радиосвязи 1,5 м ≈ 12λ. На рис. 3 – для дистанции радиосвязи 3 м ≈ 24λ. На рис. 4 – для дистанции радиосвязи 6 м ≈ 48λ.

Мачты перемещаются по направляющих на скользящих лыжах. На столе оператора показан векторный анализатор цепей. Антенны установлены на мачтах в поворотных устройствах, приведённых на рис. 5-6.





Приёмная антенна, установленная в деревянном поворотном устройстве, показана крупным планом на рис. 5, передающая антенна в поворотном устройстве из оргстекла – на рис. 6.



Внешний вид пятнадцатилистниковых антенн на поворотно-сдвиговых столиках с кабелями и разъёмами показан на рис. 7


Рис. 7


Методика эксперимента.

Промежуточный этап регулирования и юстирования стенда.

После изготовления направляющих и мачт производится установка и регулировка фиксированного положения в пространстве с точностью до градуса опорных площадок поворотных устройств при сдвигах одной мачты (приёмной) вдоль направляющих до 6 м, при этом другая мачта (передающая) закрепляется постоянно на одном конце направляющих. Настройка производится с помощью строительного уровня, транспортира, линейной рейки и лазерной указки в качестве оптического нивелира путём установки подкладок под направляющие.

Затем устанавливаются антенны на столиках в поворотные устройства, а на оси передающей антенны устанавливается съёмная лазерная указка, как показано на рис. 8; производится точная юстировка оптической оси антенн по лазерному пятну на бумажном экране, укреплённым на оси приёмной антенны, по совпадению центра пятна с осью приёмной антенны на дальностях 0,75м, 1,5 м, 3 м, 6 м.


Рис. 8

На фото рис. 8 видно, что съёмная лазерная указка укреплена по оси слева перед антенной, а справа антенна согласована с 50-омным кабелем с помощью четверть волнового U-колена до КСВ ~ 1,5. Пятнадцатилистниковая антенна размещена на во втором максимуме возбуждающего волнового вибратора, а в его первом максимуме установлено питающее согласующе-симметрирующее устройство с помощью U-колена.

Фото фрагмента процесса этого промежуточного этапа регулирования и юстирования показано на рис. 9.


Рис. 9

На фото рис. 9 слева показана постоянно закреплённая передающая мачта с укреплённой на ней антенной, лестница для установки уровня, съёмной лазерной указки, рейки и экрана. На направляющей внизу видны отметки краской дистанций связи 6λ, 12λ.


Этап проведения экспериментов.

Перед экспериментом лазерная указка удаляется, удаляются все отражающие металлические предметы на площади диаметром 12 м вокруг стенда, кроме питающих кабелей, у которых просачивание СВЧ-мощности не хуже -50 дБ.

Фото процесса проведения экспериментов показано на рис. 1-4.

Затем производится измерение собственных шумов прибора при отключённых кабелях, результат измерения приводится на рис. 10


Рис. 10

Из рис. 10 видно, что средний уровень шумов - 90 дБмВт в полосе 1 кГц.

В следующем измерении измеряется уровень мощности внешних отражённых сигналов, результат измерения приведён на рис. 11


Рис. 11

Из рис. 11 видно, что средний уровень отражённых сигналов -100дБмВт.


Перед началом экспериментов проводилась калибровка длинного кабеля связи, для чего центральные проводники кабелей спаивались и оплётки соединялись. График калибровки 3й в выбранной полосе сканирования анализатора цепей 2ГГц÷2,5 ГГц приведён на рис. 12.


Рис. 12

Из рис.12 видно, что уровень суммарного затухания в передающем и приёмном кабеле 10 дБ относительно уровня «0» заводской калибровки прибора.

Затем проводилась калибровка по суммарному затуханию в кабелях и затуханию поперечной электромагнитной компоненты в присоединённых антеннах при спаянных концах центральных питающих проводников заузленных антенн, когда потери при распространении продольной заузленной компоненты отсутствовали. График затухания приведён на рис. 13.


Рис. 13

Из рис. 13 видно, что средний уровень суммарного затухания равен 36 дБ. Из

Сравнения графиков на рис. 12 и рис. 13, видно, что затухание сигнала на преобразование энергии СВЧ в поперечную волну, излученную антеннами, равно 26 дБ или 13 дБ на одну антенну, т. е. 13 дБ это потери антенны на излучение поперечной компоненты электромагнитной волны. Важно отметить, что при всех последующих измерениях затухания при возбуждении и распространении продольной заузленной компоненты электромагнитной волны необходимо вычитать 36 дБ из измеренного значения, чтобы получить истинную величину затухания этой продольной компоненты.

Суть процесса измерения - это поиск максимального сигнала на каждой дальности дистанции радиосвязи с характерным видом формы сигнала в полосе существования продольной компоненты заузленной электромагнитной волны (метки частот 1, 2, 3 на последующих графиках) путём малых вращений и параллельных сдвигов осей приёмной и передающих антенн относительно оптической оси для максимального совмещения спиралей кручёных лучей этих антенн.

Использовался следующий режим работы анализатора цепей: выходная мощность 5 дБмВт или ~3 мВт, сканирование в полосе от 2,24 ГГц до 2.34 ГГц, число точек сканирования 201, время сканирования 556 мс, полоса пропускания на промежуточной частоте прибора BW=1 кГц, число осреднений 10, сглаживание 2%.

Сначала проводятся измерения на дистанции радиосвязи 0,75 м ≈ 6λ в начале волновой зоны Фраунгофера, результат графика затухания приведён на рис. 14.


Рис. 14

Из графика на рис. 14 видно, что в полосе существования заузленной продольной компоненты от 2,31 ГГц (метка 1) до 2,285 ГГц (метка 4) затухание меняется от -57,25 дБ до -57,78 дБ (метки 1, 2, 3, 4) среднее затухание -57,1 дБ.

Затем проводятся измерения в полосе на дистанции радиосвязи 1,5 м ≈ 12λ, где λ=13,1 см результат графика затухания приведён на рис. 15.


Рис. 15

Из графика на рис. 15 видно, что в той же полосе частот существования заузленной продольной компоненты от 2,31 ГГц (метка 1) до 2,285 ГГц (метка 4) затухание меняется от -57,88 дБ до -62,40,78 дБ (метки 1, 2, 3, 4) среднее затухание -59,1 дБ. Разность средних затуханий при увеличении дистанции радиосвязи в 2 раза или темп затухания равен -2 дБ, что согласуется с ранее проведёнными исследованиями в безэховой камере и теоретическими вычислениями. Следует отметить, что темп затухания мощности поперечной компоненты той же электромагнитной волны равен -6 дБ (как ~1/R2) при увеличении дистанции радиосвязи R в два раза.

Резкий провал на графике до уровня шумов прибора обусловлен искривлением кручёного заузленного луча шириной 1мм в виде топологической косы и прохождением его мимо апертуры приёмной антенны как по углу относительно оси антенны, так и по линейному сдвигу в сторону относительно фазового центра тороидальной заузленной приёмной антенны. Такое кручение лучей обусловлено техническим несовершенством антенн и стенда: геометрической и электрической не тожественностью петель в каждом пятнадцатилистнике антенны, не тождественностью в целом этих антенн и не равенству их КСВ, не совершенством и не симметрией поворотных устройств, не совершенством движений этих поворотных устройств и мачт и другими причинами. Это явление мешает приёму сигналов на большом удалении (более 1,5 м) в следствии несовпадений спиральных кручёных заузленных лучей передающей и приёмной антенны.

Для полноты исследований проводилось измерение на дистанции связи 0,375 м (примерно 3λ) в конце волновой зоне Френеля.

График затухания показан на рис. 16.


Рис. 16

Из рис.16 видно, что средний уровень затухания -55 дБ. Разность затуханий на дистанции связи 6λ (рис.14) и 3λ (рис. 16) или темп затуханий равен -2 дБ. Темп затухания поперечной компоненты по-прежнему равен -6 дБ.

На следующем этап исследования на дистанции радиосвязи 3 м и 6 м проявилось упомянутое выше несовершенство антенн и стенда и, как следствие этого, не регулярное и не стабильное в пространстве и времени спиральное кручение заузленного луча. Чтобы исключить влияние поворотных устройств, не обеспечивающих точные повороты на углы более 1 градус, а также не благоприятное механическое и электрическое влияние деревянных направляющих и мачт была создана телескопическая тренога из полипропиленовых труб, на которой устанавливалась приёмная антенна. Ось этой антенны направлялась по тонкой (1 мм) капроновой нити, направление которой фиксировалось осью передающей антенны, закреплённой на передающей мачте, а другой конец нити закреплялся на передающей мачте. Фото общего вида установки показано на рис. 17.


Рис.17

На фото на рис. 17 показана тренога на удалении 3 м (а также 1,5) с укреплённой на ней поворотно-сдвиговым столиком из оргстекла и приёмной антенной. На заднем плане фото видна приёмная мачта, которая удалена на 5м и служила лишь для крепления нити, направленной по оси передающей антенны и зафиксированной на передающей мачте. После нескольких итерационных попыток юстировки оси приёмной антенны по кручёному лучу относительно нити по максимуму сигнала на приборе, закреплённом на операторе, оператор уходил в сторону из зоны отражений, и проводилась запись результата на приборе. Наилучший результат этих попыток измерений на дистанциях радиосвязи 3 м и 1,5 м в виде соответствующих графиков показан на рис. 18 и рис. 19.


Рис. 18

На рис. 18 (дистанция связи 3 м) и рис. 19 (дистанция связи 1,5 м) видно, что характер формы графиков затухания соответствует графикам на рис, 14, и рис. 15, которые являются типичными для затухания продольной заузленной компоненты электромагнитной волны. Резкий провал графика на рис. 9 для дистанции радиосвязи 3 м отсутствует, что говорит о максимальном удачном совпадении спиралей кручения лучей (в виде топологической косы) заузленной волны передающей и приёмной антенны. Средний уровень мощности по меткам 1, 2, 3 равен -63,93дБмВт для дальности 3 м.


Рис. 19

На рис. 19 видно, что в полосе существования заузленной волны, помеченной метками 2, 3, 4 средний уровень мощности в полосе равен -62,5 дБ для дальности 1,5 м. Поэтому разность средних затуханий (темп затухания) на графиках 18 и рис. 19 для дальностей 3 м и 1,5 м равна -1,43 дБ.

Для дистанции связи 6 м получен график затухания характерный для продольной заузленной компоненты ЭМВ в той же полосе частот, показанный на рис. 20, однако средний уровень затухания увеличился на 10 дБ, что обусловлено несовершенством системы юстировки на расстоянии 6 м.

Тем не менее, на этом уровне затухания при сдвиге треноги по направляющим с 3 м до 6 м получены соответствующие графики затухания, показанные на рис. 21 и рис. 22.


Рис. 20

На рис. 20 для дистанции связи 6 м средний уровень затухания равен -74,95 дБмВт.


Рис. 21

На рис 21 для дистанции связи 3 м средний уровень затухания по меткам равен -75,79 дБмВт.


Рис. 22

На рис. 22 для дистанции связи 6 м средний уровень затухания равен -77,35 дБмВт. Сравнивая графики на рис. 21 и рис.22, получено возрастание затухания (разность затухания или темп затухания) лишь на 1,55 дБ при удвоении дистанции радиосвязи.

Следует напомнить, что темп затухания поперечной компоненты равен 6 дБ при удвоении дистанции радиосвязи.


Вывод

В проведённой серии измерений в натурных условиях без отражений на дистанциях радиосвязи от 3λ (0.375 м) до 48λ (6 м) получен результат темпа затухания от 2 дБ до 1,5 дБ для продольной заузленной компоненты электромагнитной волны, излученной заузленными пятнадцатилистниковыми антеннами, при удвоении дистанции связи, что принципиально отличается от темпа затухания поперечной электромагнитной волны. Это согласуется с более ранними результатами, полученными в безэховой камере для дистанций связи до 1,5.м (~12 λ).



Смелов М.В., Доказательство существования заузленной электромагнитной волны // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.22419, 20.08.2016

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru