МАГНИТНАЯ ПЕТЛЕВАЯ АНТЕННА С ДИАМАГНИТНЫМИ СВОЙСТВАМИ
Патент № 4,290,070 15 сентября 1981
Изобретатели: Осаму Танака, Нобуо Накано, Тойоаки Фукуи; Осака, Япония.
Правопреемник: Осаму Танака
Это продолжение части заявки № 037939, поданной 9 мая 1979 года, которая в настоящее время отклонена.
Это изобретение относится к антеннам, в частности, к антеннам, включающим магнитные
элементы. В известном на сегодня уровне техники существует множество типов антенн. К
таким антеннам относятся антенна Яги, лучевая антенна и т. д. Каждая из антенн, по существу
является пассивным устройством и не содержит или не включает в себя функцию усиления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Соответственно, общей целью настоящего изобретения является создание антенны, которая
не является пассивной и включает сама по себе функцию усиления. В соответствии с
принципами изобретения цель достигаются с помощью этой уникальной антенны,
включающей первый удлиненный магнитный элемент, имеющий по меньшей мере одну
диамагнитную часть из углерода или висмута и ориентацию первого магнитного полюса,
второй удлиненный магнитный элемент, имеющий по меньшей мере одну диамагнитную
часть часть из углерода или висмута и ориентацию второго магнитного полюса
противоположного ориентации первого магнитного полюса, стоящий рядом и параллельно
первому удлиненному магнитному элементу, и пару третьих удлиненных магнитных
элементов, соединяющих концы первого и второго удлиненных элементов, которые образует
магнитную петлю как и катушки, намотанные на каждый из первого и второго удлиненных
магнитных элементов. Кроме того, линии магнитной силы в третьих элементах соединяются с
линиями магнитной силы в первом и втором элементах. Выше упомянутые особенности и
цель настоящего изобретения станут более очевидными со ссылкой на следующее описание,
взятое в сочетании с прилагаемыми чертежами, в которых подобные цифры обозначают
подобные элементы и в которых:
Рис.1. иллюстрирует магнитный усилительный элемент, используемый в настоящем
изобретении;
На рис. 2. показаны характеристики магнитного усилительного элемента на рис. 1;
На рис. 3. показан антенный элемент в соответствии с положениями настоящего изобретения;
На рис. 4. показана эквивалентная схема антенного элемента на рис. 3;
На рис. 5. показана антенна в соответствии с положениями настоящего изобретения;
На рис. 6(а). и 6(б). показан принцип работы антенны на рис. 5.
А на рис. 7. показана эквивалентная схема антенны на рис. 5.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Ссылаясь на рис. 1, на нем показан магнитный усиливающий элемент 1.
Магнитный усиливающий элемент 1. образован путем обеспечения одной или нескольких
диамагнитных частей 12. (углерод {графен} или висмут) с фиксированными интервалами в
магнитном поле магнитной части 11. Диамагнитная часть 12. может быть изготовлена из такого
же материала, как углерод {графен} или висмут. Вокруг магнитного усилительного элемента 1.
намотана катушка 2.
Магнитный усиливающий элемент 1. проявляет феноменальный усиливающий эффект при
воздействии на него высокочастотного тока. В результате экспериментов были определены
следующие характеристики.
Как показано сплошной линией на рис. 2(а), изменение тока I (на рис. 2(б)) проявляется
изменением плотности магнитного потока β (рис. 2(c)). В частности экспериментами, было
установлено, что изменение тока I = 10-8 А (ампер) т.е. 10нА, приводит к изменению плотности
магнитного потока Ф, порядка 100 гаусс = 0.01 тесла. (Усиление порядка 100/10-8 = 1010 раз.)
{Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением: Φ = B ·
S · cos α. Единица измерения магнитного потока в систем СИ = 1 Вебер (1 Вб). B = вектор магнитной
индукции , S = плоский замкнутый контур c площадью S. Магнитный поток через контур максимален,
если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю. Значит угол α равен 00. Тогда магнитный
поток: Φmax = B · S · 1 (cos 00 = 1). Магнитный поток через контур равен нулю, если контур
распологается параллельно магнитному полю. Значит угол α равен 900 (cos 900 = 0).
Кроме того, характеристики, показанные на рис. 2. предназначены для ситуации, когда
катушка возбуждения 2. состоит из 10 витков и намотана она вокруг плоского стержневого
магнитного усилительного элемента 1., в котором магнитным усилительным элементом 1.
является постоянный магнит с высоким содержанием марганца и плотностью потока Ф = 470
гаусс и где используется одна углеродная диамагнитная часть 12.
Кроме того, как показано на рис.3., антенный элемент 10, используемый в настоящем
изобретении, сформирован путем намотки направляющей катушки 2. вокруг магнитного
усилительного элемента 1. На рис. 4 проиллюстрирована её эквивалентная схема.
Как показано на рисунке, LC-резонансный контур образован магнитным усилительным
элементом 1. и катушкой 2. вторичного излучателя. Конечно, значения L и C можно
регулировать, регулируя количество витков катушке 2. вторичного излучателя и изменением
длины диамагнитной части 12. Регулировка также может быть осуществлена путем
подключения переменного конденсатора 4. к обоим концам катушки 2, как показано ломаной
линией на рис. 4. В результате можно изменять частотные характеристики передачи и приема
антенны. Усилительная цепь 52. образована магнитным усилительным элементом 1., а LC-цепь
обратной связи 53. образованной линиями магнитной силы в воздухе.
Принцип действия вышеописанного антенного элемента 10. заключается в следующем: Ток,
передаваемый или принимаемый катушкой 2. вторичного излучателя, усиливается магнитным
усилительным элементом 1., а усиливающий эффект достигается эффектом позитивной
обратной связи LC-цепи 53.
Ссылаясь на рис. 5, на нем показана антенна в соответствии с описанием этого изобретения.
Настоящая антенна сформирована путем размещения магнитных усилительных элементов 1. в
петли прямоугольной рамке 30., как описано ниже. В частности, два из описанных выше
антенных элементов 10. расположены таким образом, что магнитные поля элементов 10.
ориентированы в противоположном направлении (встречно), а продольные оси элементов 10.
параллельны друг другу. Два намагниченных соединительных элемента связи 20. установлены
сбоку на обоих концах двух антенных элементов 10. таким образом, что магнитные силовые
линии 14. соединительных магнитных элементов связи 20. соединяются перпендикулярно с
магнитными силовыми линиями 13. магнитных усилительных элементов 1.
Если антенна построена так, как описано выше, магнитные силовые линии двух магнитных
усилительных элементов 1. окружают прямоугольную рамку 30. В результате, два магнитных
усилительных элемента 1. соединяются последовательно. Кроме того, функция позитивной
обратной связи выполняется магнитными силовыми линиями 14’., которые находятся среди
магнитных силовых линий 14., магнитных элементов связи 20. и которые не соединяются с
магнитными силовыми линиями 13. в магнитных усилительных элементах 1.
Было определено экспериментами, что можно получить антенну, степень усиления которой
намного выше, чем у антенны, использующей только один антенный элемент 10. На рис. 6(а).
проиллюстрирован этот принцип.
Когда магнитные усилительные элементы 1. возбуждаются катушками 2. вторичного
излучателя, магнитные силовые линии 13. магнитных усилительных элементов 1.
увеличиваются или уменьшаются в соответствии с током, протекающим через катушки 2.
вторичного излучателя. Соответственно, магнитные силовые линии 14. соединительных
магнитных элементов связи 20., которые соединяются с магнитными силовыми линиями 13.,
также увеличиваются или уменьшаются. В результате магнитные силовые линии 14', которые
простираются в воздухе от магнитного элемента связи 20., увеличиваются или уменьшаются и
создают эффект позитивной обратной связи.
Ссылаясь на рис. 7, на нем показана эквивалентная схема антенны на рис. 5. На рис. 7 LCрезонансные контуры 51. и 51'. образованы катушками 2. вторичного излучателя и
магнитными усилительными элементами 1. Усилители 52 и 52' образованы магнитными
усилительными элементами 11. и цепями LC позитивной обратной связи 53. и 53'. Что касается
входных клемм для передачи или выходных клемм для приема, то можно использовать обе
клеммы T и T' двух катушек 2. вторичного излучателя, соединенных параллельно, или
использовать только одну из двух катушек или наборов клемм T и T'.
Однако для повышения эффективности антенны необходимо выполнить следующие условия:
1. Для устранения искажений, два антенных элемента 10. и два магнитных элемента связи 20.
должны быть изготовлены из одного и того же материала (т.е. материал с высоким
содержанием марганца должен иметь идентичные технологические характеристики ).
2. Эффект усиления антенны, может быть увеличен путем создания плоской прямоугольной
рамы 30. с использованием магнитных усилительных элементов 1. и соединительных
магнитных элементов связи 20., которые являются плоскими в поперечном сечении (т. е.
плоскими в сечении, перпендикулярном магнитному полю в рассматриваемой детали). В
результате такой конструкции чувствительность передачи и приема антенны повышается,
поскольку антенные элементы 10. являются плоскими; кроме того, эффект позитивной
обратной связи увеличивается с увеличением плотности магнитного потока Ф,
ориентированного в том же направлении.
3. Соединительный магнитный элемент связи 20. должен быть установлен снаружи обоих
концов магнитных усилительных элементов 11. (см. рис. 5).
В частности, это делается для того, чтобы обеспечить качественно соединение магнитных
силовых линий 13. и 14. (как показано на рис. 6(а), и чтобы получить качественно
последовательное соединение двух антенных элементов 10. Если, например, соединительные
магнитные элементы связи 20. установлены внутри антенных элементов 10. (как показано на
рис. 6(б),
только часть магнитных силовых линий 13. двух антенных элементов 10. соединяется с
магнитными силовыми линиями 14. В результате эффект последовательного соединения
снижается, а эффект усиления оказывается недостаточным.
4. Кроме того, различные эксперименты показали, что максимальная эффективность антенны
может быть достигнута при использовании постоянных магнитов с высоким содержанием
марганца и плотностью магнитного потока Ф приблизительно 500 гаусс, для магнитных
элементов 11., используемых в магнитных усилительных элементах 1. и магнитных элементах
связи 20., а также при использовании углерода (графена) для диамагнитных элементов 12.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Чувствительность приема 180 дБ (в мириады раз) и чрезвычайно низкий уровень зеркального
отражения, были получены в области слабого электрического поля, в которой
чувствительность приема антенны Яги составляла всего 30 децибел.
Тот факт, что антенна, проявляет феноменальную чувствительность передача-прием, является
результатом того, что используются два магнитных усилительных элемента, которые имеют
функцию усиления. Другими факторами, которые влияют на чувствительность, являются
размер антенной рамы 30., ширина (y) магнитных усилительных элементов 1. и магнитных
элементов связи 20., количество витков катушки 2. вторичного излучателя, и т.д. Уровни
приема-передачи повышаются с увеличением размера антенной рамы 30., с увеличением
ширины (y) магнитных усилительных элементов 1. и магнитных элементов связи 20. и с
увеличением числа витков катушек 2 вторичного излучателя.
Кроме того, факторами, которые влияют на частотные характеристики, являются: толщина
диамагнитных элементов 12. из углерода (графена), количество витков катушки 2. вторичного
излучателя, длина магнитных элементов связи 20. и т.д. Высокочастотные характеристики
улучшаются с увеличением толщины диамагнитных элементов 12. и с уменьшением числа
витков катушки вторичного излучателя 2. В частности, частотные характеристики настоящей
антенны задаются резонансными частотами LC-резонансных контуров 53. и 53'. на
эквивалентной схемы рис. 7.
Кроме того, антенна является очень узконаправленной. Как правило, угол направленности
антенны Яги составляет 60° или более. Однако, при использовании настоящего изобретения
экспериментальные результаты указывают на угол направленности менее 40°. Специалисту в
данной области должно быть очевидно, что вышеописанный вариант осуществления является
лишь иллюстрацией, но одним из многих возможных конкретных вариантов осуществления,
которые представляют применение принципов настоящего изобретения. Многочисленные и
разнообразные другие устройства, легко могут быть разработаны специалистами в данной
области. Кроме того, поскольку все магнитные элементы антенны, имеют простой тип палочки,
рама может быть просто построена, а катушка может быть легко намотана. Это приводит к
менее дорогостоящей антенне.
Мы утверждаем, что:
1. Антенна в которой магнитная петля имеет форму прямоугольника.
2. Антенна в которой первый, второй и третий элементы являются плоскими в поперечном
сечении.
3. Антенна в которой прямоугольная форма образована за счет обеспечения третьих
удлиненных магнитных элементов снаружи обоих концов первого и второго удлиненных
магнитных элементов.
Условия:
Магнитные части 11. и 20.: Постоянные магниты с плотностью магнитного потока Ф
приблизительно 470 гаусс.
Диамагнитные детали 12.: Углерод. Толщина x=3 мм.
Катушки вторичного излучателя: 12 витков. Размер: длина 7,3 см; ширина 4 см
Ширина магнитных усилительных элементов 1. и магнитных элементов 20. y=1,2 см
