Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR FORMING CHAOTIC RADIO PULSES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/082765
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to radio technology. The use thereof allows for creating effective and simple-to-use electromagnetic noise (noise-like) radiation instruments which operate in the ultra high frequency (UHF), super high frequency (SHF), extremely high frequency (EHF) or hyper-high (terahertz) frequency ranges. An instrument contains at least one source of dynamic chaos, which is capable of forming an ultra-wideband noise-like analog signal in the super high frequency range with set spectral properties, and an antenna which is connected to an output of the source of dynamic chaos. The antenna is capable of controlling the radiation directivity of the formed ultra-wideband noise-like signal and has spectral properties which are correlated to the source of dynamic chaos.

Inventors:
DMITRIEV, Alexandr Sergeevich (ul. Krylatskie Kholmy, 1-343Moscow, 9, 121609, RU)
EFREMOVA, Elena Valerievna (ul. Chistyakovoi, 16-290Odintsov, Moskovskaya oblast 5, 143005, RU)
GERASIMOV, Mark Yurievich (ul. Pervomaiskaya, 32-324Dolgoprudny, Moskovskaya oblast 7, 141707, RU)
ITSKOV, Vadim Vladimirovich (ul. Kerchenskaya, 1a-800/2Moscow, 3, 117303, RU)
Application Number:
RU2016/000633
Publication Date:
May 18, 2017
Filing Date:
September 21, 2016
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
DMITRIEV, Alexandr Sergeevich (ul. Krylatskie Kholmy, 1-343Moscow, 9, 121609, RU)
International Classes:
G01S7/36; H04K3/00
Foreign References:
RU2429566C12011-09-20
RU75522U12008-08-10
RU2170493C12001-07-10
RU2224376C12004-02-20
RU94023275A1996-08-20
RU2185032C22002-07-10
EA001815B12001-08-27
RU2250095C22005-04-20
RU2426310C12011-08-20
RU2485541C1
RU2347235C22009-02-20
RU1841018C2015-01-27
RU2236759C12004-09-20
RU2168816C12001-06-10
Download PDF:
Claims:
Формула изобретения

1. Прибор для радиоосвещения, содержащий:

- по меньшей мере один источник динамического хаоса, выполнен- ный с возможностью формировать сверхширокополосный шумоподобный аналоговый сигнал в сверхвысокочастотном диапазоне с заданными по меньшей мере спектральными свойствами;

- антенну, подключённую к выходу упомянутого источника динами- ческого хаоса, выполненную с возможностью управления направленно- стью излучения сформированного сверхширокополосного шумоподобного сигнала и согласованную по своим спектральным характеристикам с ис- точником динамического хаоса.

2. Прибор по п. 1 , в котором упомянутый источник динамического хаоса выполнен с дополнительной возможностью изменения по меньшей мере упомянутых спектральных свойств формируемого сигнала во време- ни.

3. Прибор по п. 2, содержащий модулятор, предназначенный для мо- дуляции интенсивности упомянутого формируемого сигнала во времени.

4. Прибор по п. 1 , дополнительно содержащий корпус, внутри кото- рого установлен упомянутый источник динамического хаоса, а на внешней поверхности размещена упомянутая антенна.

5. Прибор по п. 1 , дополнительно содержащий корпус, внутри кото- рого установлены упомянутые источники динамического хаоса и антенна, размещённая под радиопрозрачной стороной упомянутого корпуса.

6. Прибор по п. 4 или 5, дополнительно содержащий на упомянутом корпусе установочное средство, выполненное с возможностью фиксации упомянутого прибора и подачи на него питания.

7. Прибор по п. 1 , в котором упомянутые источник динамического хаоса и антенна выполнены на плоской основе, имеющей вид ленты или плёнки.

8. Способ формирования радиоосвещения, заключающийся в том, что:

- изготавливают по меньшей мере один прибор по п. 1 ;

- размещают изготовленные приборы в заданном пространственном объёме в соответствии с заранее определённой схемой их размещения;

- подают питание на размещённые приборы.

9. Способ по п. 8, в котором ориентируют по меньшей мере некото- рые из размещённых приборов в направлении на выбранные участки упо- мянутого пространственного объёма.

10. Способ по п. 8 или 9, в котором изменяют спектральные свойства формируемого сигнала в соответствии с заранее заданной зависимостью, выбранной из группы, включающей в себя периодическую линейную, пе- риодическую меандровую, периодическую треугольную, периодическую параболическую, случайную.

1 1. Способ по п. 10, в котором упомянутое изменение спектральных свойств формируемого сигнала осуществляют путём модуляции его интен- сивности во времени.

Description:
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к прибору для радиоосвещения и к способу формирования радиоосвещения.

Под радиоосвещением будем понимать искусственно созданное шу- мовое (шумоподобное) поле широкополосного (сверхширокополосного) некогерентного в пространстве и во времени излучения в ультравысоком (УВЧ), сверхвысоком (СВЧ), крайне высоком (КВЧ) или гипервысоком (терагерцовом) диапазонах частот.

Уровень техники Наблюдения объектов с помощью некогерентного электромагнитно- го шумового излучения в отличных от частот видимого света диапазонах частот давно и плодотворно используется, например, в космических иссле- дованиях, при наблюдении Земли из космоса (см. Шарков Е.А. Радио- тепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы. В 2 то- мах. Т. 1. - М. : ИКИ РАН, 2014) и в медицинской диагностике (Гуляев Ю.В. Физические поля и излучения человека. Новые неинвазивные методы медицинской диагностики. - М.: РБОФ "Знание" им. С. И. Вавилова, 2009). При этом используется некогерентное излучение, порождаемое естествен- ными процессами, к примеру, собственным тепловым излучением физиче- ских тел в микроволновом диапазоне, или рассеянием микроволнового из- лучения, создаваемого мощными естественными источниками (например, Солнцем). В микроволновой технике используются два типа источников шума: газоразрядные трубки и полупроводниковые рп диоды в режиме лавинного пробоя. Их основным параметром является коэффициент избыточности шума (excess noise ratio - ENR), который определяется как отношение сге- нерированной мощности шума к мощности шума резистора, согласованно- го с конкретной линией передачи, при температуре окружающей среды, и измеряется в дБ. Газоразрядные трубки имеют типичный ENR 15 дБ, что примерно в 30 раз больше мощности теплового шума, создаваемого согла- сованным резистором при температуре окружающей среды 290 °К. Таким образом, трубка генерирует шум, соответствующий температуре примерно 9-10 3 °К. Значение ENR для диодных источников шума достигает 30 дБ (см., например, Серия шумовых диодов Noisecom. NC100/200/300/400http:// evitek.ru/catalog/noisecorn/istochnikishuma/shumovye-diody/s eriya-sh

diodov-noisecom_16294.html), и их шумовая температура имеет величину около 3- 10 5 °К, что соответствует спектральной плотности мощности р ~ 4- 10 -9 мВт/МГц (-84 дБм/МГц). Интегральная мощность устройства в по- лосе 1000 МГц составляет 4- 10 '6 мВт. Дальнейшее повышение ENR может быть достигнуто за счёт применения усилителей. Однако при существен- ном повышения выходной мощности требуется достаточно сложная и не дешёвая конструкция (Безруков В. А. «Двухуровневые генераторы шума серии TGN» // Современная электроника. 2011. 7. С. 28).

Приемлемая интегральная мощность для отдельного искусственного источника радиоизлучения должна составлять > 0,1 мВт. Поэтому ни один из упомянутых типов источников шума не может рассматриваться как подходящее решение для приборов радиоосвещения.

Раскрытие изобретения

Таким образом, существует необходимость в создании эффективных приборов электромагнитного шумового (шумоподобного) излучения, ра- ботающих в вышеуказанных диапазонах частотного спектра и способных обеспечить радиоосвещение. Такие приборы должны быть простыми в эксплуатации, наподобие источников обычного света типа ламп накалива- ния, люминесцентных ламп, светодиодных ламп и т.п., чтобы их можно было применять не только в специальной исследовательской аппаратуре.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного техни- ческого результата в первом объекте настоящего изобретения предложен прибор для радиоосвещения, содержащий: по меньшей мере один источ- ник динамического хаоса, выполненный с возможностью формировать сверхширокополосный шумоподобный аналоговый сигнал в сверхвысоко- частотном диапазоне с заданными по меньшей мере спектральными свой- ствами; антенну, подключённую к выходу источника динамического хаоса, выполненную с возможностью управления направленностью излучения сформированного сверхширокополосного шумоподобного сигнала и со- гласованную по своим спектральным характеристикам с источником ди- намического хаоса.

Особенность прибора по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что источник динамического хаоса может быть выполнен с дополнительной возможностью изменения спектральных свойств форми- руемого сигнала во времени.

При этом прибор может содержать модулятор, предназначенный для модуляции интенсивности формируемого сигнала во времени.

Другая особенность прибора по первому объекту настоящего изобре- тения состоит в том, что он может дополнительно содержать корпус, внут- ри которого установлен источник динамического хаоса, а на внешней по- верхности размещена антенна.

Ещё одна особенность прибора по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что он может дополнительно содержать кор- пус, внутри которого установлены источник динамического хаоса и антен- на, размещённая под радиопрозрачной стороной корпуса.

При этом прибор может дополнительно содержать на корпусе уста- новочное средство для фиксации прибора и подачи на него питания.

Наконец, ещё одна особенность прибора по первому объекту насто- ящего изобретения состоит в том, что источник динамического хаоса и ан- тенна могут быть выполнены на плоской основе, имеющей вид ленты или плёнки.

Для решения той же задачи и достижения того же технического ре- зультата во втором объекте настоящего изобретения предложен способ формирования радиоосвещения, заключающийся в том, что: изготавлива- ют по меньшей мере один прибор по первому объекту настоящего изобре- тения; размещают изготовленные приборы в заданном пространственном объёме в соответствии с заранее определённой схемой их размещения; по- дают питание на размещённые приборы.

Особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что по меньшей мере некоторые из размещённых приборов могут ориентировать в направлении на выбранные участки пространствен- ного объёма.

При этом в способе по второму объекту настоящего изобретения мо- гут изменять спектральные свойства формируемого сигнала в соответствии с заранее заданной зависимостью, выбранной из группы, включающей в себя периодическую линейную, периодическую меандровую, периодиче- скую треугольную, периодическую параболическую, случайную.

Ещё одна особенность способа по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что изменение спектральных свойств формиру- емого сигнала могут осуществлять путём модуляции его интенсивности во времени. Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение иллюстрируется прилагаемыми чертежами. На Фиг. 1 показана возможная принципиальная схема источника ди- намического хаоса.

На Фиг. 2 приведены полученные моделированием различные харак- теристики источника динамического хаоса по Фиг. 1.

На Фиг. 3 приведён экспериментально снятый спектр мощности для схемы по Фиг. 1.

На Фиг. 4 показан внешний вид варианта прибора для радиоосвеще- ния по настоящему изобретению.

Подробное описание вариантов осуществления

Как уже отмечено выше, под радиоосвещением в данном описании понимается искусственно созданное шумовое или шумоподобное поле широкополосного либо сверхширокополосного (СВЧ) некогерентного в пространстве и во времени излучения в ультравысоком, сверхвысоком или ещё более высоком диапазоне частот, создаваемое с помощью одного или нескольких источников такого излучения. Попадая на близлежащие по- верхности и предметы, это излучение частично поглощается в них, частич- но проходит через них и частично отражается. Тем самым в процессе свое- го распространения оно несёт в себе информацию о среде, с которой взаи- модействует. В этом отношении ситуация аналогична ситуации с обычным видимым светом. Разница в том, что это другой частотный диапазон и дру- гие законы взаимодействия со средой, в которой происходит излучение. Кроме того, обычный свет виден глазами, тогда как для извлечения ин- формации об объектах, находящихся в зоне радиоосвещения (радиосвета), нужны специальные датчики или системы таких датчиков. С другой сто- роны, аналогия между радиосветом и обычным светом достаточно глубо- кая, поскольку в обоих случаях речь идёт о некогерентном излучении с широким спектром, что исключает эффекты интерференции и сводит во- просы наблюдения к оценке мощностных (и возможно спектральных, как в случае цветного зрения) характеристик принимаемого сигнала, без учёта фазовых составляющих. Принципиальной особенностью радиосвета по от- ношению к обычному свету является громадная разница в характерном диапазоне частот (которая может достигать пяти порядков) для света и ра- диосвета. Последнее означает существенно более низкую потенциальную разрешающую способность при использовании радиосвета по сравнению с видимым светом. Однако, очевидно, существует достаточно много ситуа- ций, когда это либо приемлемо, либо не имеет принципиального значения (см., например, заявки США Jfe 2007/0139249, опубл. 21.07.2007, и 2014/0168007, опубл. 19.06.2014).

В настоящее время практически отсутствуют эффективные источни- ки некогерентного СВЧ излучения, которые могли бы быть использованы для радиоосвещения. Это должны быть устройства, которые излучают до- статочно мощные по сравнению с тепловым излучением шумовые или шумоподобные широкополосные сигналы и которые в эксплуатации должны быть похожи на источники обычного света типа ламп накалива- ния, люминесцентных ламп, светодиодных ламп и т.п. В противном случае речь о радиоосветительных приборах может идти только применительно к специальной исследовательской аппаратуре.

В настоящем изобретении в качестве источников радиоизлучения используются генераторы динамического хаоса, которые можно рассмат- ривать как источники шумоподобных аналоговых сигналов в соответству- ющем диапазоне частот.

Эти устройства прошли долгий путь эволюции от вакуумных прибо- ров, использующих естественное запаздывание в распределённых систе- мах, к полупроводниковым устройствам с распределёнными колебатель- ными системами на основе микрополосковых линий и, далее, к полупро- водниковым устройствам с колебательными системами на элементах с со- средоточенными параметрами (Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А., Панас А.И. Генерация хаоса. - М. : Техносфера, 2012). При этом речь идёт об устройствах, генерирующих хаотические сигналы в заданном диа- пазоне высоких или сверхвысоких частот. Типичный генератор динамиче- ского хаоса микроволнового диапазона реализуется на основе автоколеба- тельной системы с 2,5 степенями свободы, активным элементом которой является биполярный транзистор (Фиг. 1а). На Фиг. lb показана более по- дробная принципиальная электрическая схема интефального генератора динамического хаоса для реализации прибора для радиоосвещения по настоящему изобретению.

Математическая модель (1) такого генератора динамического хаоса представляет собой систему из 5 обыкновенных нелинейных дифференци- альных уравнений пе вого порядка:

где V C E, ВЕ - напряжения коллектор-эмиттер и база-эмиттер, - напря- жение на емкости С \ I \ , , /с, h - токи через индуктивность L \ , индуктив- ность L 2 , коллектор С и базу В транзистора, соответственно. Структура этой автоколебательной системы такова, что колебания генерируются в некоторой полосе частот. При этом генерация в требуемой полосе частот и хаотический характер колебаний обеспечиваются соответствующим выбо- ром параметров автоколебательной системы этого генератора.

Генератор динамического хаоса может быть выполнен на основе ав- токолебательных систем типа (1 ) в виде интегральной микросхемы. К настоящему времени экспериментальные образцы микрогенераторов ди- намического хаоса работают в диапазоне частот 3-7 ГГц с интегральной мощностью излучения около 300 мкВт. При этом используется кремний- германиевая технология 0,25 мкм на площади кристалла 1 ,5 мм .

Прибор для радиоосвещения по настоящему изобретению содержит, помимо источника (генератора) динамического хаоса, выполненного с возможностью формировать сверхширокополосный шумоподобный анало- говый сигнал в сверхвысокочастотном диапазоне с заданными по меньшей мере спектральными свойствами, ещё и антенну, подключённую к выходу источника динамического хаоса. Эта антенна, согласованная по своим спектральным характеристикам с источником динамического хаоса, спо- собна излучать сверхширокополосный шумоподобный сигнал, сформиро- ванный этим источником динамического хаоса. Направленностью излуча- емого антенной сигнала можно управлять как статически, например, ис- пользуя антенну с определённой диаграммой направленности, так и дина- мически, например, путём использования в качестве антенны антенной решётки, состоящей из нескольких излучающих элементов, и формирова- ния с её помощью нескольких переключаемых лучей, как это известно специалистам.

На Фиг. 2 показаны расчётные характеристики сигнала на выходе генератора динамического хаоса по Фиг. 1 : а - фрагмент временной реали- зации; b - спектр мощности; с - автокорреляционная функция; d - распре- деление мгновенных значений сигнала (сплошная линия - моделирование, пунктирная линия - гауссовское распределение). На Фиг. 3 приведён экс- периментально снятый спектр мощности сигнала, сформированного гене- ратором динамического хаоса по Фиг. 1.

Прибор для радиоосвещения по настоящему изобретению может да- лее содержать в своём составе модулятор, предназначенный для модуля- ции интенсивности формируемого генератором хаоса сигнала во времени. Выполнение такого модулятора (как очевидно из его назначения, ампли- тудного) может быть любым, как это известно специалистам.

Источник динамического хаоса и антенна в приборе для радиоосве- щения по настоящему изобретению могут быть выполнены на плоской ос- нове, имеющей вид ленты или плёнки. Такая основа из диэлектрического материала имеет нанесённые на неё проводники печатной схемы, на кото- рых монтируются элементы схемы, причём материал такой основы может быть тканым, обеспечивая основе гибкость, что позволит размещать пе- чатную схему на такой основе в любом подходящем месте.

В другом варианте осуществления прибор для радиоосвещения по настоящему изобретению может содержать корпус, внутри которого и установлен источник динамического хаоса, а на внешней поверхности раз- мещена антенна. Иначе, антенна может быть размещена внутри корпуса под его радиопрозрачной стороной.

Корпус может иметь установочное средство, выполненное с возмож- ностью фиксации всего прибора и подачи на него питания. К примеру, это может быть резьбовой цоколь, как в обычных лампах освещения, либо лю- бое иное средство - например, простая вилка, предназначенная для встав- ления в штепсель.

Упоминание ламп освещения в данном описании отнюдь не случайно. Дело в том, что светодиоды с белым свечением являются близкими аналогами прибора для радиоосвещения по настоящему изобретению в видимом глазом диапазоне. Подобно тому, как такие светодиоды являются эффективными источниками широкополосного некогерентного излучения в видимом диапазоне частот, прибор для радиоосвещения по настоящему изобретению, содержащий источник динамического хаоса, является эффективным источником некогерентного широкополосного излучения в микроволновом диапазоне частот. Действительно, светодиоды, имеющие белое свечение, излучают некогерентный шумовой сигнал в полосе длин волн Δλ = 650 - 450 нм. При этом полоса частот белого света с радиофизической точки зрения является сверхширокой, поскольку Af/f- Δλ/λ > 0,25, где Af - разница между верхней и нижней частотами в спектре излучения, а / и λ - средняя частота и средняя длина волны в спектре, соответственно.

Аналогия источника (микрогенератора) динамического хаоса по его спектральным характеристикам со светодиодами, имеющими белое свечение, становится очевидной, если посмотреть на огибающую спектра мощности сигнала микрогенератора (Фиг. 2Ь - моделирование, Фиг. 3 - эксперимент). Такие характеристики как реализация процесса (Фиг. 2а), быстро спадающая автокорреляционная функция (Фиг. 2с) и близкое к гауссовскому статистическое распределение мгновенных значений сигнала (Фиг. 2d) также показывают, что формируемый хаотический сигнал обладает характеристиками, обеспечивающими создание некогерентного освещения в микроволновом диапазоне частот.

Важным общим свойством источников динамического хаоса и све- тодиодов является некогерентность генерируемого сигнала. Это свойство - принципиально для применения источников динамического хаоса в каче- стве источников освещения, поскольку обеспечивает равномерную, без ин- терференции, засветку окружающей среды при использовании как одиноч- ного, так и множественных источников. Еще одной важной общей чертой светодиодов и микросхем генераторов динамического хаоса (chaos emitted chip - СЕС), является сходство в электрических характеристиках: оба устройства являются низковольтными и могут применяться как поодиноч- ке, так и виде последовательных и параллельных сборок, в том числе, в це- лях увеличения мощности или распределения излучения по пространству.

По аналогии со светодиодной лампой может быть создана лампа для радиоосвешения с активным элементом в виде микросхемы. Внешний вид такой радиоосветительной лампы иллюстрирует Фиг. 4. Конструктивно корпус прибора для радиоосвещения в этом варианте осуществления выполнен по форме как обычная лампочка со стандартным цоколем, рассчитываемая на напряжение питания 220 В, или 12 В (собственное напряжение питания микросхемы около 3 В). Такую «лампочку» можно просто ввинчивать в обычный патрон стандартного светильника и нажать кнопку выключателя, чтобы включить её в работу.

Способ формирования радиоосвещения по второму объекту настоя- щего изобретения включает в себя изготовление по меньшей мере одного прибора по первому варианту настоящего изобретения, размещение изго- товленных приборов в заданном пространственном объёме в соответствии с заранее определённой схемой их размещения и подача питания на раз- мещённые приборы. Эти приборы (по меньшей мере некоторые из них) могут быть ориентированы на выбранные участки заданного простран- ственного объёма.

Спектральные свойства формируемого сигнала могут изменять в со- ответствии с заранее заданной зависимостью, выбранной из группы, вклю- чающей в себя периодическую линейную, периодическую меандровую, периодическую треугольную, периодическую параболическую, случай- ную. Изменение спектральных свойств формируемого сигнала, как уже отмечено, осуществляют путём модуляции его интенсивности во времени.

Таким образом, радиоосвещение создаётся с помощью одного или нескольких источников широкополосного (сверхширокополосного) неко- герентного микроволнового излучения. Попадая на близлежащие поверх- ности и предметы, это частично поглощается в них, частично проходит че- рез них и частично отражается. Тем самым, распространяясь далее, оно несёт в себе информацию о среде, с которой взаимодействует.

Детальное обсуждение аппаратуры для наблюдения радиоосвещён- ных объектов и самого процесса наблюдения выходит за рамки данного описания. Отметим только, что детекторы для наблюдения могут иметь пространственное разрешение до величины порядка Я при размещении наблюдаемого объекта в ближней зоне, и угловое разрешение порядка Я/Д где D - характерный размер приёмной антенны, при нахождении наблюда- емого объекта в дальней зоне. Прототипами таких приборов являются тра- диционные радиометрические приёмники и датчики на основе логарифми- ческих детекторов. Последние, даже при комнатной температуре, облада- ют достаточно высокой чувствительностью и большим динамическим диа- пазоном. Так, например, приёмник с логарифмическим детектором и нена- правленной антенной будет воспринимать радиосвет прибора по настоя- щему изобретению с мощностью излучения 300 мкВт на расстояниях от десятков сантиметров до нескольких сотен метров.