Способ возбуждения сегнетоэлектрической антенны и ее устройство

Изобретение относится к технике радиопередающих и радиоприемных устройств электромагнитного излучения, в частности к приемным и передающим антеннам широкополосного диапазона с большим усилением. Техническим результатом является создание антенны с высоким коэффициентом усиления при приеме и передаче радиосигнала, расширение интервала частоты регистрации радиосигнала. Технический результат достигается тем, что сегнетоэлектрическая антенна содержит цилиндрический объем из сегнетокерамики, управляющие сетчатые электроды на торцевых плоскостях цилиндрического объема и внешний источник постоянного напряжения, при этом цилиндрический объем антенны выполнен из чередующихся сегнетокерамических и ферритодиэлектрических пластин, при этом на плоские торцы каждого из вибраторов из сегнетокерамики нанесен управляющий электродный слой, при этом все вибраторы в пакете соединены между собой управляющими электродами, сердечник выполнен из металлического витка провода и жестко установлен в центральном отверстии пакета вибраторов и соединен своими концами к приемно-передающему устройству, а внешний источник постоянного напряжения подсоединен к вибраторам или к управляющим электродам, при этом при приеме возбуждают антенну индуцированием поверхностных зарядов поляризации в каждом вибраторе в сегнетофазе внешним электромагнитным полем слоистого пакета, и теми же зарядами поляризации возбуждают высокочастотное вторичное электромагнитное поле, которым индуцируют высокочастотные токи в сердечнике, выполненном в виде металлического витка, и таким образом, увеличивают коэффициент усиления приемного сигнала пропорционально числу вибраторов в слоистом пакете, площади вибратора, величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин, величине индуктивности пакета вибраторов из сегнетокерамики, волновому сопротивлению пакета, числу витков в сердечнике и индуктивности сердечника, а увеличение мощности радиосигнала при передачи получают, когда антенну возбуждают высокочастотными токами в металлическом витке и тем самым возбуждают высокочастотные электрические поля поверхностных зарядов поляризации вибраторов в сегнетофазе и излучают в пространство, получая таким образом вторичное электромагнитное поле, мощность которого также пропорциональна числу вибраторов в слоистом пакете, площади вибратора, величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин, величине индуктивности пакета вибраторов из сегнетокерамики, волновому сопротивлению пакета, числу витков сердечника и индуктивности сердечника. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к технике радиопередающих и радиоприемных устройств электромагнитного излучения, в частности к приемным и передающим антеннам широкополосного диапазона с большим усилением (20-40 Дб), как в сантиметровом и дециметровом диапазоне, так и длинноволновом диапазоне (1-10 м и более метров), и малыми размерами (1-2 см). Изобретение предназначено для создания радиоэлектронного устройства, которое может быть использованы в качестве многоканальной телевизионной антенны для приема и передачи телевизионных станций на Земле, со спутников и в космосе на промышленных, военных и бытовых телевизионных устройствах, а также в мобильных и сотовых телефонах. Использование такой антенны во всех этих устройствах увеличит плотность потока передающей и принимающей информации, так как увеличивается область передачи данной информации не только в аудиодиапазоне, но в видиодипазоне. При современной цифровой обработке информации предлагаемая антенна позволяет передавать и принимать информацию на мобильных и сотовых устройствах не только в виде звука, но и в виде изображения.

Перечисленные параметры антенны в предлагаемом изобретении могут быть осуществлены при условии использовании материала из нелинейного диэлектрика с очень большой величиной коэффициента восприимчивости, которая имеет зависимость от напряженности падающего электрического поля, с большой частотой переключения величины поляризуемости для переменных полей малой напряженности в области нормальных температур окружающей среды и создает за счет поляризации диэлектрика вторичное внешнее электрическое поле.

Современная передающая телевизионная антенна является вибратором, которая преобразует энергию токовых колебаний высокой частоты свободных зарядов в проводнике, сосредоточенную в выходных колебательных цепях радиопередатчика, в энергию излучаемых электромагнитных волн. Преобразование основано на том, что переменный электрический ток является источником электромагнитных волн. Приемная антенна как вибратор выполняет и обратную функцию, т.е. преобразует энергию распространяющихся электромагнитных волн в энергию, сосредоточенную во входных колебательных цепях приемника в токовые колебания свободных зарядов. При этом вибраторы электромагнитных волн представляют собой двух типов: электродипольные и магнитодипольные. В соответствии с этим построение современных антенн базируются на теории излучения элементарного электрического или магнитного вибраторов. Под элементарным электрическим вибратором подразумевают проводник, длиной во много раз меньшей длины излучаемой волны, обтекаемый током высокой частоты с одинаковой амплитудой и фазой на всей его длине. Под элементарным магнитным вибратором подразумевается виток из проводника диаметром меньше длины излучаемой волны. Для телевизионного приема используются антенны, построенные в соответствии с этими физическими законами. Прием телевизионных передач ведется на симметричный вибратор, антенна, типа "волновой канал" и др. Телевизионные антенны передающие и приемные являются антеннами метрового и дециметрового диапазонов. Передающие телевизионные антенны обычно выполняют в виде системы горизонтальных симметричных вибраторов; расположение и схема питания вибраторов определяют форму диаграммы направленности (ДН) и величину коэффициента усиления (КУ) антенны. Если размеры поперечного сечения опоры антенны сравнительно невелики и требуется КУ не свыше нескольких единиц, то в метровом диапазоне применяют телевизионные антенны турникетного типа. В остальных случаях применяют преимущественно телевизионные антенны панельного типа, собираемые из отдельных панелей (образованных вибраторами и рядом вспомогательных элементов), которые в зависимости от требуемой формы ДН располагаются (по контуру поперечного сечения опоры) равномерно или неравномерно и излучают радиоволны синфазно или с определенными фазовыми сдвигами. Характерные размеры телевизионных антенн в виде систем вибраторов имеют не менее метра и обычно ставятся на большой высоте для нормального приема или передачи.

Основным материалом используемых при изготовлении всех антенн, в том числе и телевизионных, является металл, так как электрический вибратор должен обладать высокой проводимостью, чтобы возбудить в таком вибраторе электрический ток, являющийся источником электрических и магнитных полей. Однако для уменьшения характерных размер и увеличения выходных параметров антенны в современных антеннах используются диэлектрические материалы с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости. Так, например, диэлектрическая антенна представляет собой диэлектрический стержень, в котором возбуждение электромагнитных волн производится металлическим радиоволноводом или металлическим штырем коаксиального кабеля. В стержне диэлектрической антенны возбуждается волна особой структуры (так называемая поверхностная волна), распространяющаяся вдоль его оси, и, как следствие, на поверхности стержня возникают тангенциальные (касательные к поверхности) составляющие электрического и магнитного полей, фаза которых меняется по закону бегущей волны. По существу диэлектрическая антенна представляет собой антенну бегущей волны, состоящую из элементарных электрических и магнитных вибраторов. Ее максимум излучения, как и всякой антенны бегущей волны, совпадает с осью стержня. Характер излучения диэлектрическая антенна зависит от фазовой скорости распространения поверхностной волны. С увеличением диаметра стержня и диэлектрической проницаемости материала, из которого он выполнен, фазовая скорость уменьшается. Чем меньше фазовая скорость, тем больше длина стержня, при которой коэффициент направленного действия (КНД) антенны максимален (так называемая оптимальная длина), и больше максимально возможный КНД. Стержень диэлектрической антенны изготовляют из диэлектрических материалов с малым затуханием электромагнитных волн в них, т.е. с малыми диэлектрическими потерями. Диэлектрическую антенну применяют преимущественно на летательных аппаратах в радиоустройствах, работающих на сантиметровых и дециметровых волнах. Для таких же целей в современных антеннах используют материалы с высокой магнитной восприимчивостью. Такие антенны называются ферритовыми или магнитными антеннами. Высокая магнитная восприимчивость ферритов позволяет изготовлять ферритовые антенны с размерами, существенно меньшими, чем у обычной (без сердечника) рамочной антенны, при одинаковых индуктируемых в них эдс. Магнитная антенна представляет собой рамочную антенну (обычно многовитковая) с сердечником из магнитного материала. В качестве магнитных материалов чаще всего используют магнитодиэлектрики или ферриты (ферритовая антенна). Магнитные антенны применяются преимущественно для приема радиоволн в радиопеленгации, радионавигации и особенно широко - в малогабаритных радиовещательных приемниках. Диаграмма направленности их такая же, как у обычной рамочной антенны. Рамка магнитной антенны, обычно подключается к конденсатору переменной емкости, образуя на входе приемника настраиваемый на рабочую длину волны параллельный резонансный контур. При больших мощностях электрических колебаний (например, в режиме передачи) в сердечнике магнитной антенны возбуждается сильное электромагнитное поле. Сердечник магнитной антенны выполняется в виде сплошного стержня либо, при больших ее размерах, набирается из отдельных секций. Внесение сердечника внутрь рамки (обмотки из проводника тока) увеличивает индуктируемую в рамке эдс в N раз, сопротивление излучения в N² раз, а индуктивность рамки примерно в N раз. Значение N зависит от эффективного значения магнитной проницаемости сердечника, зависящее от начальной магнитной проницаемости материала сердечника и отношения его длины к радиусу, радиуса сердечника и радиуса рамки. Магнитные моменты доменов складываются, и общая величина напряженности индуцированного магнитного поля становится больше, чем напряженность магнитного поля волны. Именно такая антенна (магнитная антенна) может использоваться при сотовой связи, которая обеспечивает хорошие приемопередающие характеристики связи даже для очень малых токовых сигналов. Однако для таких антенн существуют ограничения по приему и передачи электромагнитных волн по длине волны. Для диэлектрической ферритовой антенны принимаемая длина волны может быть больше характерного размера самой антенны, но не на очень много. В такой антенне величина магнитной проницаемости хотя и велика и достигает нескольких сот, но даже при такой величине проницаемости длина принимаемой волны уменьшается только в десятки раз. Кроме того, площадь сечения такой антенны в десятки раз меньше площади воспринимаемого потока излучения, а следовательно, принимаемый сигнал уменьшится по энергии во столько же раз. Наряду с положительным эффектом увеличения эдс введение сердечника в рамку сопровождается увеличением тепловых потерь в ней, вызванных наведенными в сердечнике токами проводимости и потерями на гистерезис. Потери, как правило, больше при использовании материалов с высокими значениями магнитной проницаемости и растут с укорочением длины принимаемой волны.

Использование таких материалов, как диэлектрические и магнитные материалы с высокими диэлектрическими и магнитными проницаемостями, в построении телевизионных антенн позволяют уменьшить их характерные размеры до десятков сантиметров при условии сохранения всех остальных начальных выходных параметров антенны.

В отличие от диэлектрической ферритовой среды с большой магнитной проницаемостью существуют нелинейные диэлектрические среды с очень большой диэлектрической проницаемостью. При этом диэлектрическая проницаемость в таких нелинейных средах зависит от напряженности внешнего электрического поля, частоты переключения и температуры. Такие диэлектрики называются нелинейными. В таких средах также существуют домены из диполей, но не магнитных, а электрических. Под действием внешнего электрического поля электрические домены разворачиваются в направление поля и создают на поверхности таких диэлектриков поверхностные заряды, которые в свою очередь создают внешние электрические поля, по величине превышающие электрические поля, их вызывающие. При этом внутри диэлектриков поле становится равным нулю, так как при суммировании полей каждого домена, направленных по внешнему полю поля отрицательных зарядов, складываются с полями положительных зарядов. В отличии от них в магнитных диэлектриках (диэлектрических ферритов) магнитные поля всех доменов при суммировании создают общее магнитное поле, которое и создает эффект усиления в ферритовых антеннах. До настоящего времени в диэлектрических антеннах в основном использовалась диэлектрическая среда в качестве формирования фазовой скорости электромагнитной волны и направленности излучения. Кроме того, увеличение проницаемости приводит к увеличению коэффициента преломления для распространяющейся волны в такой среде. Такое свойство действия диэлектрической среды использовалось для создания таких типов антенн, как линзовая антенна, антенна бегущей волны, рупорная антенна и диэлектрическая антенна. В последней диэлектрической антенне это свойство среды использовалось для преобразования большей длины волны в меньшую длину, т.е. вести прием длинноволнового диапазона антенной малого размера. Такие антенны можно использовать в мобильной сотовой связи. В основном связь в сотовых телефонах ведется в дециметровом диапазоне. Поэтому для уменьшения размеров антенн до величин порядка одного сантиметра можно использовать такие нелинейные диэлектрические материалы с большими величинами проницаемости и зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, частоты переключения и температуры. Вещества с такими свойствами называются сегнетоэлектрики или антисегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрики оказываются поляризованными даже в отсутствие электрического поля. Такая поляризация называется спонтанной, так как эти кристаллы испытывают фазовые превращения, переходя в новые кристаллические модификации. От обычных диэлектриков сегнетоэлектрики отличаются тем, что направление спонтанной поляризации у них может быть изменено на противоположное уже слабым внешним электрическим полем. Существуют сегнетоэлектрики с одной полярной осью (сегнетова соль) и с несколькими полярными осями (титанат бария). Кристаллическая модификация, в которой сегнетоэлектрик спонтанно поляризован, называется полярной фазой (сегнетофазой), а модификация, у которой спонтанной поляризации нет, - неполярной фазой. Температура, при которой диэлектрик переходит из неполярной фазы в полярную или наоборот называется диэлектрической точкой Кюри. Диэлектрические проницаемости сегнетоэлектриков в полярной фазе аномально велики. Для сегнетовой соли в максимуме ε=10000, для титаната бария - ε=9000. Соответственно коэффициент восприимчивости такого диэлектрика сравним с коэффициентом диэлектрической проницаемости и зависит от величины внешнего электрического поля. В неполярной фазе у сегнетоэлектрика поляризация пропорционально электрическому полю, в сегнетофазе нелинейно зависит от напряженности электрического поля. Сегнетоэлектрик самопроизвольно делится на области, называемые электрическими доменами. Размер областей спонтанной поляризации определяется минимумом полной энергии сегнетоэлектрика, состоящей из трех частей: энергии внешнего электрического поля, суммы внутренней энергии всех доменов и поверхностной энергии на границе раздела доменов.

До настоящего времени использование таких материалов для построения антенн сводилось только для уменьшения размеров антенны при сохранении первоначальных выходных параметров антенн. В данном патенте рассматриваются и другие возможности нелинейного диэлектрика, а именно эффект усиления падающего поля при его рассеянии в нелинейной среде. Электрическое поле поляризации вне такого диэлектрика по величине напряженности оказывается больше напряженности электрического поля, его вызывающего. Наиболее подходящими сегнетоэлектриками для использования при построении антенны являются сегнетоэлектрики с электронно-релаксационной поляризацией. Такая поляризация характерна для твердых диэлектриков, содержащих дефекты или примесные ионы, способные захватывать электроны. Такие захваченные на "ловушках" электроны или дырки при отсутствии электрического поля могут под действием тепловых флуктуации переходить из одного вероятного положения в другое. При этом суммарный электрический момент единицы объема диэлектрика будет равен нулю. Во внешнем электрическом поле такие переходы будут осуществляться преимущественно в направлении поля и в объеме диэлектрика индуцируется электрический дипольный момент, т.е. будет происходить поляризация. Время релаксации данного механизма поляризации при комнатной температуре 10^-2-10^-9 c. При таком интервале времени релаксации частота переключения электрического поля порядка сотен ГГц, что вполне соответствует частотному диапазону антенны при приеме и передачи сигнала. Этот вид поляризации существенную роль играет в поликристаллической керамике типа рутила TiO₂, перовскита CaTiO₂, TiBaO₃, в керамических материалах, изготовленных на основе сложных оксидов титана, циркония, ниобия, тантала, свинца, церия, висмута, имеющих важное техническое значение.

Антенна из сегнетоэлектрика представляет собой вибратор, аналогичный обычному электродипольному вибратору современных антенн. Отличие только в том, что в обычной антенне внешним переменным электрическим полем индуцируется переменный ток свободных зарядов, а вибратором из сегнетоэлектрика под действием внешнего переменного электрического поля в пространстве вокруг антенны индуцируется переменное электрическое поле связных зарядов поляризованного диэлектрика, т.е. отличительной особенностью в данном случае является то, что напряженность падающего электрического поля преобразуется в переменное электрическое поле связных зарядов, индуцируемых в антенне. При этом напряженность индуцируемого переменного электрического поля связных зарядов в силу нелинейного характера зависимости коэффициента восприимчивости от внешнего поля на порядки, а то и на несколько порядков, превышает напряженность внешнего переменного электрического поля. Такой вибратор аналогичен вибратору ферритовой антенны. Принципиально новым теперь является то, что вместо магнитного поля суммируемых магнитных диполей феррита используется электрическое поле суммируемых электрических диполей сегнетоэлектрика. Переменное магнитное поле ферритовой антенны индуцирует переменный ток свободных зарядов в металлической рамке антенны, который регистрируется как радиосигнал, поступающий на антенну. Переменное электрическое поле связных зарядов поляризации сегнетоэлектрика сегнетоэлектрической антенны в соответствии с законами Максвелла индуцирует вихревое магнитное поле, которое также наводит в металлическом проводе витка переменный ток свободных зарядов. Естественно, что такой ток также воспринимается как радиосигнал, поступающий на сегнетоэлектрическую антенну. Принципиально новым эффектом является также то, что радиосигнал, регистрируемый данной антенной, возникает в результате рассеяния падающей электромагнитной волны на нелинейной диэлектрической среде антенны, а не в результате наведения электромагнитного поля в сегнетоэлектрической антенне, как это имеет место для обычных антенн. Отсюда получаем новые конструктивные особенности такой антенны и качественные параметры антенны. Из качественно физических соображений видно, что чем больше поперечная площадь такой антенны, тем больше величина напряженности переменного электрического поля поляризации сегнетоэлектрика, так как напряженность поля в данном случае определяется коэффициентом поверхностного заряда. Толщина антенны практически не влияет на изменение величины напряженности поля поляризации. Поэтому такая антенна по толщине может быть как угодно тонкой, но такой толщины, чтобы сохранились все свойства сегнетоэлектрика. В экспериментах при исследовании свойств сегнетоэлектриков толщина берется равной десяткам микрон. Таким образом, конструктивно такая антенна представляет собой цилиндр, у которого толщина на много меньше радиуса. Для увеличения площади антенны, а следовательно, для увеличения приемного сигнала антенны, что определяется величиной напряженности поля поляризации связных поверхностных зарядов, такие цилиндры из сегнетоэлектрика собираются в виде пакета из сегнетокерамических пластин. При этом между каждым таким цилиндром располагается тонкий цилиндр из обычного диэлектрика или из магнитного диэлектрического феррита с большой магнитной проницаемостью. Такая сборная антенна будет обладать не только большой диэлектрической проницаемостью, но и магнитной проницаемостью, что приведет к очень сильному уменьшению длины бегущей волны в такой среде, состоящей из множества сегнетоэлектрических вибраторов. Общая площадь этих вибраторов подбирается так, чтобы коэффициент усиления такой антенны соответствовал коэффициенту усиления телевизионной параболической антенне метрового диаметра. Кроме того, за счет магнитной проницаемости еще больше возрастет эдс в витке металлического провода, в котором индуцируется переменный ток свободных зарядов. Для регистрации радиосигнала металлический виток провода пропускается через все сегнетоэлектрические вибраторы так, чтобы вихревое магнитное поле охватывало проводник, в котором индуцируется переменный ток свободных зарядов. Принципиально новым в конструкции антенны является то, что приемное устройство антенны состоит из диэлектрической части, а не из металлической, как в обычных антеннах. Конструктивной особенностью антенны является также то, что она собирается в виде пакета из сегнетоэлектрических вибраторов, а радиосигнал регистрируется витком металлического провода, который пропускается через сквозные отверстия в сегнетоэлектрических вибраторах, тогда как в обычных ферритовых антеннах металлический провод надевается на ферритовый сердечник. Имея общий размер порядка 1х1 см², сборная сегнетоэлектрическая антенна в соответствии с расчетами по своим параметрам превосходит самые лучшие современные антенны. В силу большого интервала частоты переключения материала из сегнетоэлектрика такая антенна обладает широкой полосой приема и при малой ширине настройки сигнала может настраиваться на очень большое число каналов телевизионных передач. Все необходимые параметры и конструкция данного устройства, при которых осуществляется процесс рассеяния электромагнитной падающей волны на нелинейной среде, регистрации и усиления радиосигнала на сегнетоэлектрической антенне, определяются и рассчитываются на основе экспериментальных данных по взаимодействию электромагнитного излучения с нелинейными средами и современных теоретических результатов в квантовой теории физики твердого тела по сегнетоэлектрикам, нелинейной электродинамики и радиоэлектронике.

Известен способ регистрации радиосигналов при взаимодействии электромагнитных волн с сегнетоэлектрической телевизионной антенны (Салтыков В.П, Карпунин Г.А, Корнеев А.Ю RU №2138102, МПК Н 01 Q 19/09, 1998), который включает индуцирование высокочастотного тока в металлическом сердечнике вибратора внешним электромагнитным полем, возбуждение в цилиндрическом объеме сегнетокерамики в сегнетофазе поверхностных зарядов поляризации, индуцирование в окружающем пространстве при передачи и возбуждение в том же цилиндрическом объеме при приеме вторичного электромагнитного поля для точной настройки и перестройки антенны на другие диапазоны частот за счет взаимодействия электромагнитной волны с нелинейными диэлектрическими средами. Антенна создана из композиционного материала, в объеме которого длина волны электромагнитного излучения уменьшается. Принципиально новый подход к решению проблемы - керамический нанокомпозитный материал, в котором эти волны укорачиваются. Он состоит из множества дипольных ячеек, имеющих микро- и наноразмеры. Их можно представить как сжатые пружины с энергетическим потенциалом, которые способны реагировать на малейшие изменения электромагнитного излучения. Для точной настройки антенны на частотный сигнал в заданном частотном диапазоне используются резонансные свойства антенны, состоящей из цилиндрического объема сегнетокерамики с управляющими электродами, которые подсоединены к источнику питания постоянного напряжения. Под действием напряженности электрического поля источника диполи сегнетокерамики разворачиваются в направление действующего поля и при воздействии внешнего высокочастотного электромагнитного радиосигнала создают высокочастотную поляризацию, которая в свою очередь индуцирует высокочастотные токи зарядов поляризации цилиндрического тела, являющиеся источниками высокочастотного вторичного электрического поля. При совместном действии полей радиосигнала и вторичного высокочастотного поля на металлический вибратор антенны амплитуда приемного сигнала возрастает при совпадении фазы этих двух полей для данной частоты и в антенне создается условие резонанса. Для совпадения фазы двух полей производится изменение величины напряжения постоянного источника питания так, чтобы наступило это условие резонанса. Естественно, что такой эффект настройки на резонансную частоту не изменяет размер антенны, увеличивает КПД антенны и уменьшает величину диэлектрических потерь в сегнетокерамической среде цилиндрического тела антенны. Такой способ используется в телевизионной антенне НПП «БИСИМ».

Известно устройство сегнетоэлектрической антенны (Салтыков В.П, Карпунин Г.А, Корнеев А.Ю RU №2138102, МПК Н 01 Q 19/09, 1998), содержащая цилиндрический объем из сегнетокерамики, центральный металлический вибратор в виде стержня, управляющие сетчатые электроды на торцевых плоскостях цилиндрического объема и внешний источник постоянного напряжения. Телевизионная антенна НПП «БИСИМ», сделана из керамического композиционного материала с нелинейными свойствами, диаметром всего 6 см и толщиной 2,8 см. Для управления антенной при переключении на различные телевизионные каналы и точной настройки на частотный диапазон к торцам цилиндрического объема сегнетокерамики прикреплены управляющие электроды. Концы электродов подсоединены к источнику постоянного напряжения. Металлический сердечник вибратора, вставленный в середину цилиндрического объема сегнетокерамики, подсоединяется на вход приемного устройства. Антенна ловит телевизионные программы и в метровом, и в дециметровом диапазоне. С его помощью можно в десятки раз уменьшить и размеры параболических антенн, принимающих информацию со спутников. Используемые диэлектрические композиционные материалы действительно имеют уникальные физические особенности. Налажено производство антенн для приема телепередач в метровом и дециметровом диапазоне. Разработка антенны телевизионной диэлектрической MB и ДМВ диапазонов малогабаритной велась в рамках проекта «Антенны нового поколения из композиционных материалов с особыми электрофизическими свойствами, малогабаритные, различного назначения». Целью разработки антенны являлось создание принципиально новой модели, габариты и масса которой многократно уменьшены в сравнении с традиционными вариантами антенн. В основе данной разработки лежит использование свойств специально разработанных композиционных материалов с особыми волновыми и электрическими свойствами. Новый подход к физическому процессу приема и передачи электромагнитных волн основан на теории сокращения длины электромагнитной волны в объеме композиционного материала, использование композиционного материала в качестве активного элемента антенно-фидерного устройства, обладающего энергетическим потенциалом. Антенна представляет из себя "таблетку" диаметром 6,5 см и толщиной 2,8 см. Антенна предназначена для приема всех ТВ-каналов в метровом и дециметровом диапазоне (с 1 по 69). Качество приема сигнала, при размерах антенны в разы меньше аналогов, не уступает "большим" традиционным антеннам. Отличительные особенности антенны - уменьшение линейных размеров в сравнении с обычными антеннами в 10-20 раз, уменьшение собственных шумов антенны в сравнении с обычными антеннами, возможность работы антенны на отраженной волне, экологическая чистота антенны, универсальность антенны, скрытность установки антенны, предотвращение многих помех, вызванных посторонними излучателями электромагнитных волн, использование в качестве радиовещательной антенны, снижение энергетики радиоканала.

Известный способ просматривается в данном патенте по устройству сегнетоэлектрической антенны. Основное замечание к авторам патента связано с тем, что ими не оформлен и соответственно не опубликован патент на способ по точной настройке и перестройки антенны на другие диапазоны частот с использованием процессов распространения электромагнитных волн в нелинейных диэлектрических средах. Данный способ не может обеспечить достаточно сильное усиление радиосигнала, так как регистрация такого сигнала в антенне производится за счет наведенного напряжения в среде антенны на металлическом вибраторе, которое индуцируется падающим электромагнитным полем. Емкость такой антенны определяется величиной диэлектрической проницаемости нелинейной среды. Действительная часть наведенного напряжения в антенне обратно пропорциональна емкости и прямо пропорциональна сопротивлению нелинейной среды. При малых значениях напряженности падающего электрического поля диэлектрическая проницаемость среды становится очень большой и в силу этого величина наведенного напряжения становится очень маленькой. Кроме того, сопротивление композиционного материала очень велико, что приводит к сильному уменьшению наведенных токов в антенне. Таким образом, и по напряжению и по току большого усиления при таком способе достичь достаточно сложно. Для создания необходимой величины напряженности постоянного электрического поля в сегнетокерамической среде цилиндрического тела антенны, а оно достигает величины порядка 0,4 кВ/мм, что соответствует напряжению источника питания 1,3 кВ на толщине сегнетокерамики в 3 см, необходимо отдельное электронное устройство в виде высоко высоковольтного высокостабилизированного источника питания, амплитуда флуктуации которой не должна превышать амплитуды радиосигнала, которая по напряжению имеет величину порядка 10 мкВ, что довольно проблематично для осуществления. Кроме того, использование управляющих металлических электродов, которые наносятся на поверхности цилиндрического тела, даже если они сетчатые, экранируют от воздействия радиосигнала как вибратор, являющийся сердечником антенны расположенного в центре цилиндрического тела, так и цилиндрический объем сегнетокерамики, для длин волн, используемых в телевидении. Необходимо также заметить, что с увеличением напряженности электрического поля, которое создается в сегнетокерамике постоянным источником напряжения, диэлектрическая проницаемость уменьшается по закону 2/3, а соответственно, ухудшается условие для сегнетофазового перехода в сегнетокерамике и, как следствие, условие режима резонансной настройки антенны.

В известном устройстве используется только один диск из нелинейного диэлектрика толщиной 3 см. Это означает, что сечение такой антенны на много меньше сечения потока падающего излучения и тем самым сильно уменьшает величину приемного сигнала по мощности. Величина поверхностного заряда, которая индуцируется на поверхности диэлектрика, в принципе, не зависит от поперечного размера диска, а только от площади торцовой поверхности, т.к. диэлектрик из сегнетоэлектрика является анизотропным и поляризационными свойствами обладает только в определенном направлении. В данном случае вдоль оси диска наиболее оптимальное направление. Таким образом, толщина диска может быть достаточно малой, например не более десятой доли мм и не менее 10 мкм, и можно сделать набор из очень большого количества таких дисков, чтобы увеличить мощность приемного радиосигнала. Рассмотренная конструкция соответствует электродипольному типу антенн с резистором в витке и с дополнительным электрическим сигналом. Приемный радиосигнал в антенне снимается с вибратора в виде металлического сердечника, находящегося в центре цилиндрического тела сегнетокерамики антенны, в котором наводятся высокочастотные токи от двух источников: внешнего электромагнитного поля радиосигнала и электрического поля, индуцированного в сегнетокерамики внешним электромагнитным полем за счет поляризации при подпитки постоянным источником напряжения. В силу этого усиление антенны происходит только за счет того, что цилиндрический объем из сегнетокерамики играет роль рупора для фокусировки высокочастотного электрического поля вблизи металлического вибратора. Схематически антенна представляет собой электронную эквивалентную схему с конденсатором, на котором возникают поверхностные заряды, индуцирующие в свою очередь свободные заряды в проводнике электродов, сопротивлением вибратора и волнового сопротивления антенны в присутствии сегнетоэлектрика и источника постоянного питания. При тех величинах полей электрического поля от постоянного источника питания, которые используются для настраивания антенны на частотный диапазон, величина усиления антенны уменьшается, т.к. диэлектрическая восприимчивость сегнетокерамиики имеет в основном обратную зависимость от величины внешнего электрического поля. В силу плохой проводимости кристалла или керамики из сегнетоэлектрика проводники электродов замыкаются на резистор (сегнетоэлектрик имеет очень большое сопротивление) с большим омическим сопротивлением. Тем самым в проводнике с таким сопротивлением создается очень слабый ток, что приводит также к малому усилению поступающего на антенну электромагнитного сигнала. Таким образом, антенна в заданной конструкции предприятия НПП «БИСИМ» малоэффективна при приеме телевизионных радиосигналов и работает только на уменьшения размеров и на точную настройку антенны на канал частотного диапазона, а не на увеличение усиления радиосигналов.

Техническим достижением настоящего изобретения является устранение указанных недостатков по способу и устройству, сильного увеличения коэффициента усиления радиосигнала, расширения интервала частоты регистрации радиосигнала в область длинных волн метрового диапазона для использования такого устройства в качестве телевизионной антенны при еще более меньших габаритах антенны. Такие параметры телевизионной антенны осуществляются только при объединении в единый замысел нового способа и конструкции. Необходимые для поставленной задачи выходных параметров антенны с малыми размерами можно получить только при использовании материала с большой величиной диэлектрической проницаемости, которая изменяется от напряженности внешнего электрического поля, например сегнетоэлектрика. Коэффициент восприимчивости сегнетоэлектрика должен достигать максимальной величины при нормальной температуре. Процесс поляризации в таком сегнетоэлектрике должен осуществляться при условии высокочастотного переключения переменного электрического поля. Для реализации такого устройства необходимо или вырезать из монокристалла сегнетоэлектрика пластинку перпендикулярно направлению максимальной величины диэлектрической проницаемости или нанести текстуру из поликристаллической смеси сегнетоэлектрика на поверхность другого материала с обычной величиной диэлектрической проницаемости. Управляющие электроды также наносятся на торцевые поверхности пластин монокристалла или текстуры, однако толщина электродов подбирается так, чтобы толщина скин-слоя для принимаемого телевизионного электромагнитного сигнала превышала толщину металлическоя слоя электрода. В момент нанесения текстура должна находиться в электрическом поле с величиной напряженности выше коэрцитивной силы для данного сегнетоэлектрика. Для увеличения усиления антенны из сегнетоэлектрика устройство собирается в виде пакета из пластинок из сегнетоэлектика. Площадь и число пластинок из сегнетоэлектрика, из которой собирается антенна, определяется из необходимости величины усиления антенны. Регистрация радиосигнала осуществляется с помощью витка металлического провода, продеваемого в отверстия через все пластинки сегнетоэлектрика.

Существующие способы регистрации радиосигналов также могут достигать большого коэффициента усиления, увеличения интервала частотного диапазона приема и передачи, направленности излучения и улучшения других выходных параметров антенны. Чаще всего это достигается увеличением размеров антенны. Применение таких материалов как сегнетоэлектрики в современных антеннах может уменьшить их размеры, как об этом говорилось, но не на много.

Технический результат достигается с помощью предлагаемого способа. Способ возбуждения сегнетоэлектрической антенны, включающий индуцирование высокочастотного тока в металлическом сердечнике вибратора внешним электромагнитным полем, возбуждение в цилиндрическом объеме сегнетокерамики в сегнетофазе поверхностных зарядов поляризации, индуцирование в окружающем пространстве при передачи и возбуждение в том же цилиндрическом объеме при приеме вторичного электромагнитного поля для точной настройки и перестройки антенны на другие диапазоны частот, отличается тем, что цилиндрический объем антенны выполняют из чередующихся между собой слоев сегнетокерамических пластин и пластин из ферритодиэлектрического материала, которые набирают в заданном объеме и жестко скрепляют между собой в виде слоистого пакета, каждый сегнетокерамический слой которого является вибратором, а для усиления радиосигнала при приеме возбуждают антенну индуцированием поверхностных зарядов поляризации в каждом вибраторе в сегнетофазе внешним электромагнитным полем слоистого пакета, и теми же зарядами поляризации возбуждают высокочастотное вторичное электромагнитное поле, которым индуцируют высокочастотные токи в сердечнике, выполненном в виде металлического витка, и таким образом, увеличивают коэффициент усиления приемного сигнала пропорционально числу вибраторов в слоистом пакете, пропорционально площади вибратора, пропорционально величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, пропорционально величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин, пропорционально величине индуктивности пакета вибраторов из сегнетокерамики, пропорционально волновому сопротивлению пакета, числу витков в сердечнике и индуктивности сердечника, а увеличение мощности радиосигнала при передачи получают, когда антенну возбуждают высокочастотными токами в металлическом витке и тем самым возбуждают высокочастотные электрические поля поверхностных зарядов поляризации вибраторов в сегнетофазе и излучают в пространство, полученное таким образом вторичное электромагнитное поле, мощность которого также пропорциональна числу вибраторов в слоистом пакете, пропорциональна площади вибратора, пропорциональна величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, пропорциональна величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин, пропорциональна величине индуктивности пакета вибраторов из сегнетокерамики, пропорционально волновому сопротивлению пакета, числу витков сердечника и индуктивности сердечника.

Технический результат достигается также тем, что сегнетоэлектрическая антенна, содержащая цилиндрический объем из сегнетокерамики, центральный металлический вибратор в виде стержня, управляющие сетчатые электроды на торцевых плоскостях цилиндрического объема и внешний источник постоянного напряжения, отличается тем, что цилиндрический объем антенны выполнен из сегнетокерамических пластин толщиной не менее 10 мкм, разделенных друг от друга пластинами той же толщины из ферритодиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет вибраторов из сегнетокерамики, на плоские торцы каждого из которых нанесен управляющий электродный слой толщиной не более 0,1 мкм, при этом все вибраторы в пакете соединены между собой управляющими электродами по схеме параллельного соединения, а сердечник выполнен из металлического витка провода и жестко установлен в центральном отверстии пакета вибраторов и присоединен своими концами к приемно-передающему устройству.

Вибраторы изготовлены из конденсатора, который подсоединен к источнику постоянного напряжения, а на внешней стороне пластин конденсатора жестко прикреплены пластины из пьезокристаллов.

Управляющие электроды для вибраторов выполнены из полупроводникового материала n- или р-типа.

Вибраторы изготовлены из полупроводникового материала n- или р-типа, а управляющие электроды из полупроводникового материала противоположного типа с n.р.n или р.n.р переходом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема процесса рассеяния падающей электромагнитной волны на пластинке сегнетоэлектрика, на фиг.2 показана эквивалентная схема радиоэлектронных процессов, происходящих в сегнетолектрике при рассеянии падающей электромагнитной волны (сегнетоэлектрик как колебательный контур), на фиг.3 показан график зависимости изменения электрического поля рассеянной электромагнитной волны при взаимодействии падающей электромагнитной волны с вибратором из сегнетоэлектрика, на фиг.4 показаны схематически физические процессы взаимодействия падающей электромагнитной волны, индуцирования поляризации в сегнетоэлектрике, индуцирование поля рассеянной электромагнитной волны, вихревого магнитного поля и переменного тока в витке, на фиг.5 показана схема-конструкция антенны (а), элемент антенны из пластины сегнетокерамики и пластины из ферритодиэлектрика с сердечником в разрезе (б) и эквивалентная радиоэлектродная схема антенны (в).

Устройство для осуществления предлагаемого способа содержит цилиндрического объема 1 из сегнетокерамических пластин 2 толщиной не менее 10 мкм, разделенных друг от друга пластинами той же толщины из ферритодиэлектрического материала 3, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет 4 вибраторов 5 из сегнетокерамики, на плоские торцы каждого из которых нанесен управляющий электродный слой 6 толщиной не более 0,1 мкм, при этом все вибраторы в пакете соединены между собой управляющими электродами 6 по схеме параллельного соединения, а сердечник 7 выполнен из металлического витка провода и жестко установлен в центральном отверстии 8 пакета вибраторов и соединен своими концами к приемно-передающему устройству 9.

Вибраторы 5 изготовлены из конденсатора, который подсоединен к источнику постоянного напряжения 10, а на внешней стороне пластин конденсатора жестко прикреплены пластины 2 из пьезокристаллов.

Управляющие электроды 6 для вибраторов 5 выполнены из полупроводникового материала n- или р-типа.

Вибраторы 5 изготовлены из полупроводникового материала n- или р- типа, а управляющие электроды 6 из полупроводникового материала противоположного типа с n.р.n или р.n.р переходом.

Способ возбуждения антенны осуществляется следующим образом. Цилиндрический объем антенны 1 выполняют из чередующихся между собой слоев сегнетокерамических пластин 2 и пластин из ферритодиэлектрического материала 3, которые набирают в заданном объеме и жестко скрепляют между собой в виде слоистого пакета 4, каждый сегнетокерамический слой которого является вибратором 5, а для усиления радиосигнала при приеме возбуждают антенну индуцированном поверхностных зарядов поляризации 11 в каждом вибраторе 5 в сегнетофазе внешней электромагнитной волной 12 слоистого пакета 4, и теми же зарядами поляризации 11 возбуждают высокочастотное вторичную электромагнитную волну 13, которой индуцируют высокочастотные токи 14 в сердечнике 7, выполненном в виде металлического витка и, таким образом, увеличивают коэффициент усиления приемного сигнала пропорционально числу вибраторов 5 в слоистом пакете 4, пропорционально площади вибратора 5, пропорционально величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, пропорционально величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин 3, пропорционально величине индуктивности пакета 4 вибраторов 5 из сегнетокерамики, пропорционально волновому сопротивлению пакета 4, числу витков в сердечнике 7 и индуктивности сердечника 7, а увеличение мощности радиосигнала при передачи получают, когда антенну 1 возбуждают высокочастотными токами 14 в металлическом витке сердечника 7 и тем самым возбуждают высокочастотные электромагнитные волны 12 поверхностных зарядов поляризации 11 вибраторов 5 в сегнетофазе и излучают в пространство полученное таким образом вторичную электромагнитную волну 13, мощность которой также пропорциональна числу вибраторов 5 в слоистом пакете 4, пропорциональна площади вибратора 5, пропорциональна величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, пропорциональна величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин 3, пропорциональна величине индуктивности пакета вибраторов 5 из сегнетокерамики, пропорциональна волновому сопротивлению пакета 4, числу витков сердечника 7 и индуктивности сердечника 7, и соответственно процессам возбуждения высокочастотных токов 11 и индуцирования вторичной электромагнитной волны 13 в антенне 1 при приеме и передачи радиосигнала в эквивалентной схеме антенны 1 в конденсаторе 15 возбуждают электрические заряды 11, наведенное напряжения на резисторе 16, магнитное поле вторичной электромагнитной волны 13 в (эквивалентной) катушке индуктивности 17 пакета 4 и за счет взаимной индукции возбуждают магнитное поле в (эквивалентной) катушке индуктивности 18 сердечника 7, концы которого подсоединяют в приемно-передающее устройство 9.

Эффективность способа и устройства регистрации радиосигнала заключается в следующем. Способность нелинейных диэлектриков поляризоваться во внешнем электромагнитном поле и создавать вторичное электромагнитное поле за счет поляризации. Естественно, что электрическая поляризация возникает за счет упорядочного расположения заряженных частиц противоположных знаков (диполей). Связанные поверхностные заряды поляризации при этом создают внешнее электрическое поле. Сегнетоэлектрики, в зависимости от характера внедренного заряда, наличия или отсутствия электродов, могут создавать электростатические поля как внутри диэлектрика, так и в окружающем пространстве. Определим величину электрического поля, которая индуцируется поверхностными зарядами сегнетоэлектрика в сегнетофазе. Введем обозначения: s - толщина пленки, ε - диэлектрическая проницаемость пленки, s₁ - толщина зазора между электретом и электродом, ε₁ - диэлектрическая проницаемость вещества в зазоре, Е - напряженность электрического поля внутри пленки, D - электрическая индукция в пленке, E₁ - напряженность электрического поля в зазоре, D₁ - индукция электрического поля в зазоре, V - разность потенциалов между нижним электродом и поверхностью сегнетоэлектрика, V₁ - разность потенциалов в зазоре между поверхностью сегнетоэлектрика и верхним электродом. Поля в зазоре и в пленке, очевидно, будут однородными. Поэтому для их определения достаточно записать два уравнения: условие для нормальной проекции вектора электрической индукции на границе раздела диэлектриков, на которой имеется слой избыточного заряда: поля в зазоре и в пленке, очевидно, будут однородными. Поэтому для их определения достаточно записать два уравнения: условие для нормальной проекции вектора электрической индукции на границе раздела диэлектриков, на которой имеется слой избыточного заряда:

и условие короткого замыкания электродов:

Переходя в уравнениях к напряженностям, получаем систему двух уравнений относительно неизвестных полей Е и E₁

Решая систему, после несложных преобразований получим:

В предельном случае, когда электрод 2 удаляют на бесконечность от поверхности сегнетоэлектрика, получается т.н. «свободный» сегнетоэлектрик. Из формулы видно, что поле в зазоре при этом исчезает, а в электрете становится равным: E₁=0, Е=σ/ε₀. Последнее выражение полностью совпадает с полем плоского бесконечно протяженного конденсатора с диэлектриком. Таким образом, получаем условие возможности использования электрического поля поляризованного сегнетоэлектрика, которое индуцируется внешним полем, для получения усиления принимаемого сигнала. Чем выше коэффициент восприимчивости сегнетоэлектрика, тем больше величина электрического поля поляризации и тем выше усиления амплитуды, взаимодействующей с нелинейной средой электромагнитной волны, при условии, если частота переключение поляризации сегнетоэлектрика будет соответствовать частоте изменения во времени внешнего поля электромагнитной волны. Использование такого эффекта позволяет теперь преобразовывать изменения во времени плотности связных зарядов в токи проводящей среды свободных зарядов за счет индуцирования вихревых электрических и магнитных полей, которые будут возникать вблизи сегнетоэлектрика. Разбиение сегнетоэлектриков на домены обуславливает ряд его нелинейных свойств и, в первую очередь, нелинейную зависимость электрической поляризации, создаваемой внешним полем, от величины этого поля: Р=α(E)·Е. Это связано с тем, что направление поляризации во внешнем поле может быть изменено на противоположное и что эта переориентация достигается при различных внешних полях. Наиболее типичным представителем сегнетоэлектрика является титанат бария (BaTiO₃). Для сегнетоэлектриков наличие спонтанной поляризации характерно только в определенном интервале температур. Изменение температуры приводит к изменению структуры кристалла, сопровождаемое возникновением (исчезновением) спонтанной поляризации, которое называется фазовым переходом, а температура, ему соответствующая, - температурой фазового перехода или точкой Кюри Р=α(Т)Е. Так, например, для титаната бария наибольшая величина поляризации и проницаемости достигается в пределах температур от 0° до 30° и равны по порядку величины α=ε=10000. Диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков, находящихся в слабых полях, зависит также от частоты электромагнитного поля. С повышением частоты проницаемость может понизиться в области, где частота поля близка к частоте резонансных колебаний пластины сегнетоэлектрика с заданными размерами. При проходе последней частоты кристалл переходит из состояния механически свободного в состояние механически зажатого. Как правило, понижение за счет механического зажатия имеет место на сравнительно низких частотах (десятки МГц в зависимости от геометрии пластины). Вторая область снижения поляризации в сегнетоэлектриках связана с инерционностью доменов. Для титаната бария, например, эта частота соответствует дециметровому и сантиметровому диапазону длин волн. Третья область понижения проницаемости, а следовательно, и поляризации происходит на частотах связанных с собственными частотами колебаний кристаллической решетки (10⁴ МГц). Отсюда получаем дисперсионную зависимость поляризации среды от внешнего электромагнитного поля Р=α(ω)·Е. Таким образом, в общем случае основные виды зависимости поляризации сегнетоэлектрика от параметров самого сегнетоэлектрика и параметров внешних условий, которые будут влиять на процессы распространения электромагнитной волны в рассматриваемой среде, определяются выражением Р=α(Е, Т, ω)·Е. Если сравнивать по всем этим параметрам величину поляризации для различных сегнетоэлектриков, то наиболее подходящим для нашего случая является титанат бария. У него одна из самых больших величин проницаемости (10000), причем при нормальной температуре (0°-30°) и при нужном частотном диапазоне электромагнитного поля (100 кГц - 100 МГц). Титанат бария наиболее технологичный материал при его изготовлении в различных модификациях (кристалл, керамик, текстура) и при использовании. Это один из самых недорогих материалов среди других сегнетоэлектриков. В примесных сегнетоэлектриках фазовый переход стимулируют малыми дипольными добавками. Однако во всех этих случаях дисперсия диэлектрической проницаемости становится гигантской, а релаксационный отклик имеет огромную величину в пике, во много превышающей диэлектрическую восприимчивость основной решетки. В свою очередь основная решетка влияет на примеси, усиливая дисперсию их диэлектрического отклика. Рассмотрим теперь конкретную зависимость диэлектрической проницаемости различных сегнетоэлектриков от амплитуды внешнего поля, частоты внешнего поля и температуры фазового перехода. Существуют чистые сегнетоэлектрики и примесные сегнетоэлектрики. Слэтеровская модель диэлектрического отклика в этом случае модифицирована, когда наряду с ионной поляризумостью имеет место релаксационная поляризуемость. Теоретические исследования в связи с этим существенно осложняются из-за необходимости учитывать квантовые эффекты в динамике решетки, туннелирования, взаимодействия между примесями, дисперсии и поляризации (как статической, так и возникающей во внешнем поле). Конечные формулы можно использовать для обработки имеющихся данных и того и другого типов сегнетоэлектриков. Такое же поведение восприимчивости наблюдаются и в более широком классе веществ - релаксорах. Однако в них роль квантовых колебаний ионов, подавляющих фазовый переход, играют случайные поля. Запишем уравнение для матрицы плотности диполей,

где

усредненная по Больцману матрица плотности; гамильтониан диполей запишем в приближениях поперечной модели Изинга

где P_h - поляризация основной решетки, Ω - туннельный интеграл, μ - дипольный момент примеси, E - внешнее электрическое поле, λ - константа связи поляризации и дипольного момента, J_ij - матрица взаимодействий дипольных моментов, - квазиспиновый оператор. Подставляя это выражение в уравнение для матрицы плотности получаем выражение средней плотности поляризации в виде:

где

Отсюда получаем, что зависимость от внешнего поля входит лишь в величину

Следовательно, производная по полю, которая необходима для нахождения восприимчивости, может быть найдена в следующем общем виде:

где Вычисляя производные, получаем

Первый вклад носит характер восприимчивости, эмпирически найденной Барретом. Второй вклад имеет вид известной функции Ланжевена. Восприимчивость примесных сегнетоэлектриков теперь можно найти в виде

Для обычных условий, когда E≠0, Ω=0 - нелинейная восприимчивость

где τ - время релаксации сегнетоэлектрика при переключении внешнего поля. Из полученных выражений для восприимчивости сегнетоэлектриков выявляется зависимость от частоты изменения поля и зависимость от напряженности электромагнитного поля. Частотная зависимость и зависимость от напряженности поля восприимчивости в обоих случаях имеет гиперболический характер, т.е. обратную зависимость для восприимчивости при изменении этих параметров. Однако для уточнения этой зависимости необходимо рассмотреть также экспериментальные результаты по изменению восприимчивости от частоты и напряженности электромагнитного поля. Исследовалась конденсаторная структура типа «сэндвич» на основе тонких пленок из Pb(Zr_1-xTi_x)О₃. Зависимость диэлектрической проницаемости ε от напряженности электрического поля Е в такой структуре определяется выражением вида:

Анализ экспериментальных результатов функционального соотношения поляризации сегнетоэлектрика от напряженности электрического поля Е приводит к выражению для диэлектрической проницаемости от Е, которая дается в виде аппроксимирующей функции изменения диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика в зависимости от напряжения поля конденсатора или напряженности электрического поля в конденсаторе выражением вида

Это выражение для диэлектрической проницаемости в зависимости от напряженности электрического поля в конденсаторе получается из двух ранее взятых выражений для производной поляризации в зависимости от напряжения и выражения для зависимости диэлектрической проницаемости от производной поляризации по напряженности электрического поля. Из него видно, что диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика довольно велика. Благодаря такой величины проницаемости и происходит усиление падающей электромагнитной волны. Однако существуют сегнетоэлектрики, которые обладают на порядки большими значениями диэлектрической проницаемостью, может дать возможность производить еще большее усиление. Рассмотрим теперь зависимость изменения величины напряженности индуцированного сегнетоэлектриком внешнего электрического поля от величины напряжения правляющего поля в конденсаторе для рассматриваемых частот переменного напряжения.

При исследовании нелинейных свойств кристаллов Li_2-xNa_xGe₄О₉, наиболее близких к кристаллам группы ТГС. Диэлектрическая нелинейность сегнетоэлектрических кристаллов измеряются в области температур фазового перехода. Из экспериментов определяется величина нелинейного коэффициента β по смещению температуры Т_с (точка Кюри) и изменению диэлектрической проницаемости ε под действием напряженности электрического поля Е. На основе этих данных определяется диэлектрическая нелинейность, температурная и частотная зависимость дисперсия поляризации Р_с сегнетоэлектриков. В основном рассматриваются кристаллы сегнетоэлектриков, у которых температура Кюри близка к области 290-300 К. Образцы для измерения выращиваются методом Чахральского и изготавливаются в иде пластинок десятки долей миллиметра с главной плоскостью (100). Диэлектрическая проницаемость измеряется от 10 кГц до 100 МГц. Известно, что поляризация сегнетоэлектрического кристалла электрическим полем Е оказывает значительное влияние на аномалию диэлектрической проницаемости ε вблизи фазового перехода. Экспериментальные зависимости ε(T) некоторых кристаллов типа титанат бария даются при различных значениях Е. Выше фазового перехода диэлектрическая проницаемость при постоянной температуре уменьшается с увеличением электрического поля. Приведенные результаты объясняются на основе феноменологической теории Гизбурга-Девошира для фазовых переходов второго рода. Для определения коэффициента β, являющегося количественной мерой нелинейности диэлектрической проницаемости, используются несколько соотношений, следующих из термодинамической теории. Если в разложении термодинамического потенциала по степеням поляризации ограничиться членами Р⁴, то смещение температуры, соответствующей ε в зависимости от напряженности электрического поля, описывается формулой: ΔТ_с=D·E^2/3. В указанном приближении где β - коэффициент при Р⁴, α'=4·π/С, где С - постоянная Кюри-Вейсса. Используя экспериментальные данные, была построена зависимость ΔТ_с=f(E^2/3), которая имеет линейный вид. Используя выражение для ΔТ_с, получили значение β для измеряемого материала, величина которого совпала с ранее полученными значениями для этих сегнетоэлектриков. Снижение максимального значения ε в области фазового перехода может быть использовано для сопоставления термодинамической теории с экспериментом. В указанном приближении максимальное значение ε связано с напряженностью электрического поля соотношением:

Зависимость ε=f(E^2/3) для кристаллов сегнетоэлектрика, построенная из данных фиг.1 хорошо ложится в прямую линию. Рассчитанный по наклону прямой коэффициент β, например, для Li_2-xNa_xGe₄O₉, соответствует величине 1,26·10^-9 (CGSE cm²)^-2. Для фазового перехода второго рода величина коэффициента β оценивается также из температурной зависимости P_s вблизи Те, которая описывается соотношением P_s ²=α'·(T_c-Т)/β. Из экспериментальной зависимости P_s(T), измеренной для тех же кристаллов по петлям диэлектрического гистерезиса, получено, что в этих кристаллах данное соотношение выполняется в интервале (Т_с-Т)<10 К. Определение коэффициентов β для различных кристаллов было произведено многими исследованиями. Так, для свободного кристалла BaTiO₃ коэффициент β имеет значение 2,5·10^-13 (CGSE cm²)^-2 в точке Кюри. Наиболее достоверное значение β для кристаллов ТГС составляет 7,7·10^-10 (CGSE cm²)^-2 вблизи температуры фазового перехода. Для свободного кристалла сегнетовой соли коэффициент β составляет около 6·10^-8 (CGSE cm²)^-2. Таким образом, из этих рассмотренных классических сегнетоэлектриков нелинейные свойства кристаллов Li_2-xNa_xGe₄O₉ наиболее близки к кристаллам группы ТГС. У этих кристаллов близки также значения α' и P_s. Количественные данные всех этих параметров отражают механизм фазового перехода и связаны с упорядочением постоянных дипольных моментов. Для кристалла Li_2-xNa_xGe₄O₉ аппроксимирующая функция зависимости диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля, построенная в соответствии с полученной формулой для диэлектрической проницаемости от величины поля и экспериментальных результатов будет иметь вид:

Это означает, что аппроксимирующая функция соответствует рассматриваемой закономерности изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от напряженности электрического поля и, следовательно, такую функцию можно теперь использовать для определения рассматриваемой зависимости и для другого подобного сегнетоэлектрика, например титаната бария. Для титаната бария β=2,5·10^-13 (CGSE cm²)^-2 и потому аппроксимрующая функция будет иметь вид:

Зависимость диэлектрической проницаемости от напряженности электрического поля совпадает по точкам с экспериментальными значениями для титаната бария в заданном интервале напряженности поля при температуре 20С°. Результаты анализа экспериментальных данных дают теперь возможность определить аппроксимацию функции изменения величины напряженности электрического поля вне сегнетоэлектрика, индуцированного поверхностными связанными зарядами в сегнетоэлектрике, в зависимости от напряжения электрическогоо поля в конденсаторе и частоты. Предполагается, что при наведении изменяемых во времени поверхностных зарядов на сегнетоэлектрике вне сегнетоэлектрика будет индуцироваться внешнее переменное электрическое поле с частотой управляющего поля в конденсаторе. Выражение для этого поля аппроксимируется функцией вида

При частотах управляющего поля, равных 100 МГц, усиление напряженности электрического поля составляет примерно ту же величину, что и напряженность падающего поля волны, т.е. равна Е=10 мкВ/м. Через диэлектрическую проницаемость величина напряженности электрического поля, индуцируемая внешним электрическим полем, определяется выражением

Однако существуют сегнетоэлектрики, которые обладают на порядки большими значениями диэлектрической проницаемости, может дать возможность производить еще большее усиление. Рассмотрим теперь зависимость изменения величины напряженности индуцированного сегнетоэлектриком внешнего электрического поля от величины напряжения управляющего поля в конденсаторе для рассматриваемых частот переменного напряжения. Такая зависимость напряженности электрического поля от поляризации сегнетоэлектрика типа титаната бария определяется выражением

При частотах управляющего поля напряженность электрического поля, равная 100 МГц, усиление поля антенной из сегнетоэлектрика составляет все те же величины. Кроме того, полученные теоретические результаты по аппроксимированию экспериментальных результатов показывают совпадение с результатами данных в эксперименте.

На практике часто используются неоднородные композиционные диэлектрики, представляющие собой смеси двух или более различных веществ - компонентов смеси. К таким материалам относятся многие пластические массы, состоящие из связующего и наполнителей, керамические, волокнистые, пропитанные и непропитанные пористые материалы и т.п. Для расчета эффективной диэлектрической проницаемости смеси предполагается, что ее отдельные компоненты не вступают друг с другом в химические реакции, т.е. смесь является физической. Для рассматриваемой антенны наиболее удобным является сборный сэндвич из одинаковых элементов в виде круглых пластинок из сегнетоэлектрика, разделенных друг от друга диэлектриком таких же пластинок с небольшой величиной диэлектрической проницаемости. Сэндвич должен состоять из такого количества пластинок, число которых соответствует по площади поверхностной площади параболической антенны диаметром в один метр. В предварительном отчете было найдено, что таких пластинок должно быть порядка ста штук. Определим суммарную величину диэлектрической проницаемости такой конструкции, которая имеет цилиндрическую форму. При этом соединения между такими пластинками может быть либо последовательным, либо параллельными между пластинками из сегнетоэлектрика. Объемные доли в обоих случаях можно взять одинаково равными единице. Диэлектрическая проницаемость одной пластинки берем в виде

При параллельном соединении общая величина диэлектрической проницаемости всей антенны, собранной из одинаковых пластинок в виде цилиндра диаметром d и длиной l=100L, будет равна

При последовательном соединении таких одинаковых пластинок из сегнетоэлектрика общая величина диэлектрической проницаемости будет равна

При этом величины емкости в обоих случаях будут изменяться в противоположную сторону сопротивления в соответствии с этими соединениями. В нашем случае наиболее удобным является первый случай, когда величина диэлектрической проницаемости антенны возрастет, суммарная емкость уменьшится, а сопротивление антенны увеличиться. Связано это с этим, что увеличение диэлектрической проницаемости антенны приведет к увеличению усиления антенны и в то же время не изменит полосу приема и передачи сигнала, а также увеличит резонансную частоту. Антенна из сегнетоэлектрика представляет собой электрическую цепь, в которой нелинейный конденсатор, сопротивление и индуктивность. Соответственно в такой цепи будут иметь место нелинейные колебательные процессы, возбуждаемые электромагнитной волной. Присутствие сегнетоэлектрика в емкости приводит к явлению процессов переключения, происходящих в сегнетоэлектрическом кристалле. Напряженность внешнего электрического поля Е изменяется в пределах радиосигнала. Можно предположить, что резонансные кривые для первой гармоники тока в колебательном контуре с чистым сегнетоэлектриком типа титанат бария для различных температур и значений внешнего электрического поля будут изменяться с ростом температуры, а сами точки резонансов для данного значения температур будут сдвигаться в область меньших частот. Такая тенденция возникает и при увеличении внешнего поля при фиксированной температуре в области малых полей, где также наблюдаются смещение точки резонанса в сторону меньших частот. С увеличением амплитуды внешнего сигнала возникает тенденция к замедлению смещения точки резонанса по частоте. Последнее может быть объяснено изменением диэлектрической проницаемости сегнетоэлектрика ε в зависимости от температуры и приложенного поля. Действительно, с ростом температуры при приближении к точке Кюри Т_c диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектрика увеличивается. Это обеспечивает рост емкости и в результате происходит уменьшение резонансной частоты контура. В беспримесном кристалле, где внутренне поле отсутствует, зависимость диэлектрической проницаемости от поля имеет максимум. Точка максимума разделяет зависимость ε(Е) на растущую и спадающую части относительно коэрцитивного поля Е_c. При приложении к контуру полей меньших коэрцитивной силы происходит увеличение ε и, как следствие, уменьшение резонансной частоты. Если величина приложенного поля превышает коэрцитивное поле, то переключение сегнетоэлектрика прекращается и, следовательно, уменьшается отношение dP/dE, а значит и ε. В этом случае резонансная частота будет увеличиваться с ростом поля. В примесном материале полевая зависимость диэлектрической проницаемости более сложная и поэтому, если учесть влияние приложенного поля, а также температурную зависимость величины ε, поведение резонансных токов оказывается таким, что происходит смещение максимума тока в сторону высоких частот. Кроме полученной зависимости поляризации среды от параметров, которые рассматривались выше, необходимо принять во внимание, что напряженность электрического поля волны изменяется в зависимости от пространства и времени Е=E(x,y,z,t). Соответственно, если известны все функциональные зависимости поляризации от основных параметров среды и внешнего воздействия, то можно определить и изменение от всех эти параметров величину поляризации и, как следствие, величину электрического поля во вне сегнетоэлектрика, которая возбуждается внешним электрическим полем волны в результате поляризации сегнетоэлектрика. Таким образом, в общем случае получаем выражение для величины электрического поля вне сегнетоэлектрика в зависимости от всех параметров среды и внешних условий

В общем случае электрические и магнитные свойства различных сред описываются уравнениями Максвелла. Уравнения Максвелла имеют вид

где

Для нашего случая понадобится последнее уравнение из (18). В отсутствии токов это выражение можно преобразовать к виду

или для круглого диска из сегнетоэлектрика радиуса r

где ε₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума.

В силу того, что на поверхности пластины образуются переменные поверхностные заряды σ(E(t), которые возбуждаются за счет процессов поляризации сегнетоэлектрика внешним электрическим полем электромагнитной волны, пронизывающей среду диэлектрика, вне пластины образуется переменное электрическое поле E_s(t), которое в свою очередь индуцирует вихревое магнитное поле H_s(t). В соответствии с теми уравнениями Максвелла второе уравнение из (18) определяет процессы возбуждения вихревого электрического поля E_s1(t), направленного в противоположную сторону поля E_s(t), его вызывающего, и могущего индуцировать свободные электрическое заряды в проводящей среде в соответствии с законом Фарадея.

где μ_о - магнитная проницаемость вакуума, L - расстояние между двумя пластинами сегнетоэлектрика. При заданном расстоянии между двумя круглыми пластинами вихревым магнитным полем создается электрический потенциал с напряженностью электрического поля, равной

или, что то же самое, индуцируется электрический ток для свободных зарядов в проводящей среде (токи Фуко), например, в металлическом проводе, который может располагаться внутри вихревого магнитного поля H_s(t)

где С - скорость света в вакууме, σ_s - коэффициент проводимости среды.

В последнем случае необходимо, чтобы выполнялось условие для частоты электромагнитного поля

Такое условие заведомо выполняется для расстояния между пластинами порядка одного сантиметра и меньше, что вполне допустимо для размерных параметров антенны с нелинейными свойствами. Вследствие этого рассеянное такой средой излучение будет иметь в своем составе дополнительные спектральные составляющие, которые необходимо учитывать. В частности, было установлено, что на низких частотах вольтамперная характеристика тонкой пластины сегнетокерамики очень похожа на характеристики диодов на р-n переходах. В то же время в сегнетоэлектриках имеют место такие эффекты, как нелинейная зависимость проницаемости и поляризации от величины поля и частоты электромагнитной волны. Определение нелинейных свойств сегнетоэлектриков открывает возможности для использования свойств нелинейных сред при создании антенн с новыми свойствами. Несмотря на перспективность таких задач, существующие методы анализа рассеяния электромагнитного поля радиодиапазона в нелинейной среде развиты слабо и в основном ограничиваются случаями вибраторных антенн с нелинейной нагрузкой или случаем нелинейного контакта двух бесконечных полуплоскостей. Прямой перенос известных методов нелинейной оптики на радиодиапазон не представляется возможным. В настоящее время в радиофизике используются приближенные методы, основанные на расчете характеристик поля вблизи выделенных гармоник на основе применения теории возмущений. Общим недостатком таких методов является то, что они не позволяют наглядно проследить изменение характеристик рассеянного сигнала в зависимости от изменения параметров рассеивающих элементов, параметров нелинейностей и спектральных характеристик падающего излучения. Для определения полного спектрального состава рассеянного сверхширокополосного излучения необходимо более точно описать процессы в нелинейной среде. Для этого необходимо исходить из общей электродинамической постановки задачи. В данной работе на основе развития известных аналитических и численных методов предлагается описание рассеянного в нелинейной среде поля в рамках скалярной электродинамической теории. Полученное интегральное уравнение учитывает как пространственные, так и временные изменения исходного сигнала при прохождении через нелинейную среду. Решение рассматривается для достаточно произвольной формы падающей волны и допускает эффективное использование для диагностики вида нелинейности. Показаны условия, при которых полученное уравнение переходит к представлению, используемому в методе эквивалентных схем. Подходы к решению данной задачи, в основном, используются по результатам работы.

Запишем материальные уравнения Максвелла для нелинейной среды. Для простоты магнитные свойства среды учитывать не будем, считая магнитную проницаемость μ_o постоянной. Если среда не изменяет со временем своих свойств, то диэлектрическая проницаемость и проводимость должны зависеть лишь от разности времени. При этом материальные уравнения для векторов электрической индукции и плотности тока в спектральной области принимают вид

Здесь ε_о(ω) и σ_o(ω) - абсолютная диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость фоновой среды, которая предполагается линейной и однородной. Вторые слагаемые в квадратных скобках для диэлектрической проницаемости и удельной проводимости связаны с нелинейными возмущениями фоновой среды и зависят от напряженности поля Е:

В этой постановке задача определения некоторой компоненты полного электрического поля сводится к решению неоднородного интегрального уравнения Фредгольма первого рода:

где - функция Грина, - волновое число для фоновой среды. Поле Е_o(r,ω) представляет собой напряженность поля первичной волны, а интеграл в правой части описывает рассеянное нелинейными неоднородностями поле. Уравнение записано в скалярном представлении и известно в литературе как уравнение Липпмана-Швингера. Оно получается из дифференциального уравнения Гельмгольца с использованием метода функций Грина. Важно подчеркнуть, что записанное уравнение представляет собой нелинейное интегральное уравнение. Нелинейность проявляется через зависимость электрофизических параметров среды от напряженности поля. Исследуем полученную зависимость для случая, когда неоднородность изолирована и сосредоточена в некоторой точке пространства. Для r_o определенности будем считать, что форма неоднородности аппроксимируется цилиндром длиной L и радиусом a (фиг.1).

Согласно данному соотношению рассеянное неоднородностью поле и его спектр определяются значениями полного поля в точке расположения неоднородности E_o(r,ω), Нахождение величины поля Е_о(r,ω) составляет так называемую внутреннюю электродинамическую задачу. Для определения его совместим точку наблюдения с центром неоднородности. Оценим интеграл в уравнении в предположении, что характерные размеры неоднородности малы (a,L≪λ), и экспоненциальный член под интегралом разложим в ряд по степеням малости ее показателя. В этом случае для внутренней задачи можно записать выражение для напряженности наведенного электрического поля

Эта оценка получена в предположении, что поле сосредоточено вблизи поверхности неоднородности. Вид этой функции зависит также от формы апроксимации неоднородности. Отсюда напряжение наведенного электрического поля в пластине сегнетокерамики можно представить в виде

Здесь введены обозначения, имеющие следующий физический смысл:

u_o(ω)=E_o(r,ω)·L - электродвижущая сила (ЭДС), наведенная падающим излучением на неоднородности, u(ω)=E(r,ω)·L_- - и I(ω)=π·a²·σ₁(r_o,ω)·E(r_o,ω) - падение напряжения и ток проводимости, наведенные на нелинейном элементе, C(ω)=ε₁(r_o,ω)·π·a²/L - эквивалентная емкость. Кроме того, - комплексное входное сопротивление, зависящее от геометрических размеров объекта. Реальная часть Z(ω) с точностью до постоянного множителя совпадает с сопротивлением излучения элементарного вибратора, а мнимая часть соответствует реактивной части входного сопротивления в электродинамике излучающих систем. В случае L≪a мнимая часть Z(ω) соответствует индуктивному сопротивлению диска. Уравнению соответствует эквивалентная схема, изображенная на фиг.2. Этим представлением пользуются при анализе реакции вибратора, нагруженного на нелинейность типа нелинейный контакт или диод. В отличие от традиционного подхода уравнение получено на основе асимптотического анализа точных волновых представлений. В общем случае нелинейные свойства среды учтены в уравнении через ток I(ω) и емкость C(ω). Такое представление вида нелинейности элемента через его вольтамперную и вольтфарадную характеристики во временном представлении является общепринятым для практических расчетов. Однако при малых размерах неоднородности λ≫a≫L нелинейностью индуктивности и емкости можно пренебречь. С учетом сказанного ясно, что простое по форме уравнение на самом деле является неоднородным нелинейным интегральным уравнением. При произвольном виде вольтамперной характеристики I=φ(u) аналитического решения этого уравнение получить не удается. Рассеянное нелинейностью поле полностью определяется полем на ней, что и составляет внешнюю электродинамическую задачу. Согласно соотношению поле, рассеянное пластинкой сегнетоэлектрика, в дальней зоне (при |k(r-r_o)|≫1) можно определить по формуле

где I_∑(ω)=I(ω)-i·C(ω)·u(ω).

С учетом векторного характера электромагнитного излучения рассеянное поле можно определить по формуле, имеющей место для элементарного электрического вибратора:

Здесь E₀, H_θ - составляющие электрического и магнитного поля в сферической системе координат, - волновое сопротивление фоновой среды, θ - угол между осью цилиндра и направлением на точку наблюдения. Для решения уравнения использовался метод последовательных приближений. На основе полученных выражений для процессов рассеяния электромагнитной волны на нелинейной и неоднородной среде можно определить параметры усиления сегнетоэлектрической антенны и параметры рассеянной электромагнитной волны. Сначала необходимо определить спектры амплитуд падающей волны и волны рассеянной в зависимости частоты. Для этого необходимо определить вольтамперную характеристику для рассматриваемого нелинейного элемента из сегнетоэлектрика. В соответствии с формулой преобразования выражения плоской электромагнитной волны и выражения для диэлектрической проницаемости для сегнетоэлектрика

получаем диэлектрическую проницаемость для среды антенны с нелинейным возмущением в виде

где - диэлектрическая проницаемость среды без возмущения, β=2,7·10^-13 - константа для титаната бария, волновое число для наведенной волны, ω₁ - частота затухания наведенной волны. На основе полученных выражений определяется спектральная характеристика наведенного электромагнитного поля в сегнетоэлектрике и в первом приближении решения этого уравнения получают, что действительная часть выражения определяет спектральную характеристику поля в среде, а мнимая часть характеризует затухание наведенной электромагнитной волны в сегнетоэлектрике. Отношение амплитуды наведенной волны к амплитуде падающей определяет величину усиления сигнала при частоте ω=10 ГГц, К=10·lg(E(ω)/E₀)=20...db Таким образом, теоретические исследования по определению параметров наведенного поля показывают, что величина амплитуды наведенного поля хотя и превосходит на два порядка величину амплитуды падающего поля, однако такой величины амплитуды еще недостаточно, для того чтобы использовать в качестве приемного сигнала антенны наведенное поле. Результаты расчетов показывают, что напряжения и токи слишком малы в такой схеме. Это связано с тем, что антенна в такой схеме имеет высокомное сопротивление самого сегнетоэлектрика. В связи с этим необходимо перейти к другой эквивалентной схеме антенны, в которой приемный сигнал будет фиксироваться не наведенным полем, а амплитудой рассеянного поля. В данном случае для определения параметров антенны из сегнетоэлектрика необходимо найти величину амплитуды рассеянного поля. Численные расчеты изменения амплитуды рассеянного поля в зависимости от частоты поля при заданных значениях параметров среды: μ₀:=1.26^(-6), σ₁(w):=2.5 10¹¹, L:=1.10¹¹, d:=1.10^(-2), β:=1.10^(-13),и падающего поля: Ео:=1.10^(-5), a:=1.10¹⁵, a:= 1.10¹⁵, k:=.33 10^-8 w показаны на фиг.3.

По оси ординат величина напряженности электрического поля мВ/м, по оси абцисс частота переменного электрического поля. Из фиг.5 видно, что величина рассеянного поля достаточно велика, чтобы использовать это поле в качестве приемного сигнала. При последовательном соединении ста пластинок из сегнетоэлектрика величина напряженности электрического поля в соответствии с формулой возрастет во столько же раз, т.е. будет равна порядка 1В/м. Усиление такой антенны возрастет еще на два порядка по сравнению с одной пластинке и будет соответствовать и даже выше усиления параболической антенне с апертурой в один метр. Для приема сигнала необходимо воспользоваться уравнением для магнитного поля, которое индуцируется электрическим полем волны E₁(w) в соответствии с законом Максвелла

В соответствии с законом Фарадея переменное вихревое магнитное поле, пронизывая контур из металлической проволоки, будет индуцировать ток в таком витке, который определяется из выражения

В соответствии с результатами, показанными на фиг.5, величина тока, которая индуцируется вихревым магнитным полем за счет переменного электрического поля поляризации сегнетоэлектрика в рассматриваемой антенне, будет по порядку 0,1 А. Такая величина тока в в антенне превышает во много раз величину тока в современных антеннах. На фиг.4 изображены следующие позиции: 1 - линии напряженности падающей электромагнитной волны (Е), 2 - пластинка сегнетоэлектрика, 3 - линии напряженности наведенной электромагнитной волны, 4 - линии вихревого магнитного поля (H₁) вторичной электромагнитной волны (E₁), индуцируемого наведенным электрическим полем, 5 - поверхностные связные заряды поляризация сегнетоэлектрика (Р) в результате наведения электрического поля падающей электромагнитной волной, 6 - виток провода сердечника, в котором индуцируется переменный ток вихревым магнитным полем, 7 - переменный ток (J₁), индуцируемый вихревым магнитным полем, 8 - управляющие электроды. На фиг.4 показаны физические процессы индуцирования вихревым магнитным полем переменного тока в витке в результате индуцирования магнитного поля переменным электрическим полем поляризации сегнетоэлектрика при рассеянии падающей электромагнитной волны. Таким образом, конструкция телевизионной антенны представляется в виде диэлектрического диска соответствующего размера из сегнетоэлектрика типа титаната бария. Эквивалентная схема на фиг.2. На торцах диска припаяны электроды, которые подсоединяются к источнику питания. Внутри диэлектрика напряженность электрического поля равна нулю. Схематически антенна представляет собой конденсатор, на котором возникают поверхностные заряды при наведении электрического поля первичным электромагнитным полем, индуцирующие в свою очередь свободные заряды в проводнике электродов. Однако в силу плохой проводимости кристалла или керамики из сегнетоэлектрика проводники электродов замыкаются на резистор (сегнетоэлектрик имеет очень большое сопротивление) с большим омическим сопротивлением. Тем самым в проводнике с таким сопротивлением создается очень слабый ток, что приводит к малому усилению поступающего на антенну электромагнитного сигнала. Величина поверхностного заряда, которая индуцируется, на поверхности диэлектрика, в принципе не зависит от поперечного размера диска, а только от площади торцевой поверхности, т.к. диэлектрик из сегнетоэлектрика является анизотропным и поляризационными свойствами обладает только в определенном направлении. Таким образом, толщина диска может быть достаточно малой, например, не более десятой доли миллиметра. При этом общее сопротивление такого диска резко уменьшится. В соответствии с этим можно сделать наборную конструкции из некоторого количества дисков, каждый из которых будет иметь свои электроды. С помощью этих электродов можно будет соединять между собой диски параллельно или последовательно в зависимости от необходимости иметь большой токовый сигнал с малым сопротивление и большой емкостью или большую величину потенциала сигнала с большим сопротивлением и малой емкостью. Полный сигнал суммируется от всех дисков. Количество дисков определяется из необходимости получения нужной величины коэффициента усиления. Из соответствующего набора дисков можно определить также необходимую величину коэффициента преобразования для длины электромагнитной волны, распространяющуюся в диэлектрической среде. Рассмотренная конструкция соответствует магнитодипольному типу антенн с резистором в витке и с дополнительным электрическим сигналом, который поступает от индуцированных поверхностных зарядов на сегнетоэлектрике.

Возможно построение также другой конструкции антенны, в которой омическое сопротивление витка будет очень малым, но при этом будет иметь большое волновое сопротивление. Сегнетоэлектрические диски малой толщины делаются с малым отверстием в середине (10 мкм - 0,1 мм) и нанизываются попеременно с дисками такой же толщины из обычных неполяризованных диэлектриков или диэлектрических ферритов с большой магнитной проницаемостью (феррит бария). В этом случае высокая диэлектрическая проницаемость сегнетоэлектриков совместно с большой величиной магнитной проницаемости ферритов создает сильный эффект преобразования электромагнитной волны. Кроме того, периодически неоднородная структура создает еще эффект бегущей волны вдоль оси антенны. Через отверстия дисков пропускается один виток или много витков металлического провода (фиг.5). За счет эффекта преобразования связных зарядов в свободные заряды в соответствии с законом Фарадея в металлическом витке будет индуцироваться переменный электрический ток, который будет регистрироваться как пришедший сигнал. Величина сигнала будет определяться количеством сегнетоэлектрических дисков и площадью дисков. Электрическая схема такой антенны представляется в виде стороннего источника (генератора электрической энергии), подключенного к виткам через индуктивную катушку и резистора с малой величиной омического сопротивления (фиг.4).

Для определения количества сегнетоэлектрических дисков будем исходить из величины площади параболоидной антенны (зеркальные антенны). Такая антенна регистрирует сигнал от всего падающего потока электромагнитной энергии волны длинно волнового диапазона на заданную площадь. Предположим, что в нашем случае необходимо для такого же диапазона волны необходимо зарегистрировать такую же энергию электромагнитной волны. Это означает, что общая площадь всех сегнетоэлектрических дисков должна быть равна площади параболоида S_o. Отсюда количество дисков будет равно

где S - площадь торца одного диска и сегнетоэлектрика. Относительный коэффициент усиления двух сравниваемых антенн определяется величиной . Условие сравнения эффективности двух сравниваемых антенн определяется выражение N>=N_s. Если исходить из площади метровой параболической антенны, коэффициент усиления которой равен 40 дБ, и коэффициента усиления сегнетоэлектрической антенны из одного диска по первой конструкции, равной 20 дБ, то для уравнения усиления двух антенн необходимо сегнетоэлектрических дисков взять N_s=100 штук. При заданной величине площади S=30 см² каждого диска получаем, что количество дисков для сравнения коэффициент усиления должно быть N=300 шт., т.е. больше, чем это надо. Если толщина дисков будет равна 10 мкм, то общая толщина сегнетоэлектрической антенны будет равна 3 мм, что на много меньше по толщине с антенной для первой конструкции. Однако теперь при такой конструкции коэффициент усиления сегнетоэлектрической антенны сравним с коэффициентом усиления параболической антенны для метрового диапазона электромагнитной волны. При условии использовании новой конструкции такая антенна действительно может соответствовать всем параметрам телевизионной антенны для длинноволнового диапазона.

1. Способ возбуждения сегнетоэлектрической антенны, включающий индуцирование высокочастотного тока в металлическом сердечнике вибратора внешним электромагнитным полем, возбуждение в цилиндрическом объеме сегнетокерамики в сегнетофазе поверхностных зарядов поляризации, индуцирование в окружающем пространстве при передаче и возбуждение в том же цилиндрическом объеме при приеме вторичного электромагнитного поля для точной настройки и перестройки антенны на другие диапазоны частот, отличающийся тем, что цилиндрический объем антенны выполняют из чередующихся между собой слоев сегнетокерамических пластин и пластин из ферритодиэлектрического материала, которые набирают в заданном объеме и жестко скрепляют между собой в виде слоистого пакета, каждый сегнетокерамический слой которого является вибратором, а для усиления радиосигнала при приеме возбуждают антенну индуцированием поверхностных зарядов поляризации в каждом вибраторе в сегнетофазе внешним электромагнитным полем слоистого пакета, и теми же зарядами поляризации возбуждают высокочастотное вторичное электромагнитное поле, которым индуцируют высокочастотные токи в сердечнике, выполненном в виде металлического витка, и таким образом увеличивают коэффициент усиления приемного сигнала пропорционально числу вибраторов в слоистом пакете, площади вибратора, величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин, величине индуктивности пакета вибраторов из сегнетокерамики, волновому сопротивлению пакета, числу витков в сердечнике и индуктивности сердечника, а увеличение мощности радиосигнала при передачи получают, когда антенну возбуждают высокочастотными токами в металлическом витке и тем самым возбуждают высокочастотные электрические поля поверхностных зарядов поляризации вибраторов в сегнетофазе и излучают в пространство, получая таким образом вторичное электромагнитное поле, мощность которого также пропорциональна числу вибраторов в слоистом пакете, площади вибратора, величине диэлектрической проницаемости сегнетокерамики, величине магнитной проницаемости ферритодиэлектрических пластин, величине индуктивности пакета вибраторов из сегнетокерамики, волновому сопротивлению пакета, числу витков сердечника и индуктивности сердечника.

2. Сегнетоэлектрическая антенна, содержащая цилиндрический объем из сегнетокерамики, управляющие сетчатые электроды на торцевых плоскостях цилиндрического объема и внешний источник постоянного напряжения, отличающаяся тем, что цилиндрический объем антенны выполнен из сегнетокерамических пластин, разделенных друг от друга пластинами той же толщины из ферритодиэлектрического материала, при этом все пластины герметично и жестко скреплены между собой в единый слоистый пакет вибраторов из сегнетокерамики для увеличения усиления антенны, на плоские торцы каждого из которых нанесен управляющий электродный слой, при этом все вибраторы в пакете соединены между собой управляющими электродами, сердечник выполнен из металлического витка провода и жестко установлен в центральном отверстии пакета вибраторов и соединен своими концами к приемно-передающему устройству, а внешний источник постоянного напряжения подсоединен к вибраторам или к управляющим электродам.

3. Устройство антенны по п.2, отличающееся тем, что вибраторы изготовлены в виде конденсатора, а на внешней стороне пластин конденсатора жестко прикреплены пластины из пьезокристаллов.

4. Устройство антенны по п.2, отличающееся тем, что управляющие электроды для вибраторов выполнены из полупроводникового материала n- или р-типа.

5. Устройство антенны по п.2, отличающееся тем, что все вибраторы в пакете соединены между собой управляющими электродами по схеме параллельного или последовательного соединения.

6. Устройство антенны по п.3, отличающееся тем, что вибраторы изготовлены из полупроводникового материала n- или р-типа, а управляющие электроды из полупроводникового материала противоположного типа с n.р.n или р.n.р переходом.