Устройство для формирования пространственного спирального поля

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в источниках излучения, предназначенных для решения задач облучения вещества физическими полями различной природы.

Известны излучатели пространственного поля, снабженные системами позиционирования по углу и азимуту (см. книгу Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны, в 2-х ч., ч. 2., Антенны - М.: Радио и связь, 1969 г., с. 310).

Недостатком известных излучателей является невозможность формирования спирального поля и обеспечения вращения пространственной спиральной волны, создаваемой антенной, вдоль оси ее распространения.

Известны излучатели пространственного спирального поля, в которых металлический проводник в форме спирали подсоединяют к центральному проводнику коаксиальной линии, а наружную оболочку коаксиальной линии - к плоскому металлическому экрану (см. Большая Советская Энциклопедия. Т. 24, М., изд-во «СЭ», 1976, Г.К. Галимов. Спиральные антенны, с. 960-961 г., рис. 2).

Недостатком этих решений является невозможность обеспечения вращения пространственной спиральной волны, создаваемой антенной, вдоль оси ее распространения.

Известно также устройство для формирования пространственного спирального поля, включающее излучатель поля, выполненный с возможностью взаимодействия генерируемого поля с антенной, выполненной в форме тарелки, поверхность которой разрезана по радиусу от ее центральной части до кромки, с отгибом краев разреза в плоскости, проходящей через линию разреза и ось симметрии антенны, проходящую через ее фокус (см. http://www.membrana.ru/particle/17678 или http://www.nature.com/ncomms/2014/140916/ncomms5876/full/ncomms5876.html).

Недостатком данной антенны является то, что не обеспечивается возможность интенсивного взаимодействия формируемого излучения с веществом облучаемого объекта. Кроме того, в данной антенне невозможно регулировать параметры пространственной спиральной волны, воздействующей на объект, подстраиваясь под волновые характеристики облучаемого объекта.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности взаимодействия формируемого устройством излучения с облучаемым веществом и точности получаемой информации об объекте.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, заключается в обеспечении вращения фронта пространственной спиральной волны вдоль оси его распространения, увеличении числа волн, вложенных одна в другую, а также обеспечении возможности регулирования шага спиральной волны

Для решения поставленной задачи устройство для формирования пространственного спирального поля, включающее излучатель поля, выполненный с возможностью взаимодействия с антенной, выполненной в форме тарелки, поверхность которой разрезана по радиусу от ее центральной части до кромки, с отгибом краев разреза в плоскости, проходящей через линию разреза и ось симметрии антенны, проходящую через ее фокус, отличается тем, что антенна выполнена с возможностью вращения относительно оси распространения фронта пространственной спиральной волны, при этом разрез поверхности антенны выполнен по радиусу не менее двух раз через равные угловые интервалы, кроме того, края разрезов антенны выполнены с возможностью изменения расстояния между ними, для чего разрезы снабжены средствами регулирования величины их отгиба друг от друга. Кроме того, на задней поверхности антенны жестко закреплен вал, предпочтительно трубчатый, цилиндрический, соосный с осью симметрии антенны, свободный конец которого кинематически связан с приводом вращения. При этом свободный конец вала сообщен с приводом через муфту, выполненную из диэлектрика. Кроме того, вал размещен в полости жесткого цилиндрического корпуса в подшипниках, зафиксированных в полости корпуса, при этом корпус установлен на станине на шарнире, предпочтительно шаровом, с возможностью поворота. Вал выполнен из металла и жестко скреплен с диэлектрической втулкой, которая жестко скреплена с антенной. Кроме того, средство регулирования величины отгиба краев разреза содержит язычок, жестко закрепленный на стороне антенны, противоположной излучателю, на одном крае разреза и нависающий над вторым краем разреза, при этом язычок снабжен резьбой, через которую пропущен валик, снабженный такой же резьбой, при этом свободный конец валика пропущен через отверстие во втором крае разреза с возможностью свободного вращения в нем и невозможностью возвратно-поступательного перемещения через это отверстие, причем продольная ось валика ориентирована перпендикулярно и поверхности язычка, и поверхности второго края разреза.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.

Признак, указывающий, что «антенна выполнена с возможностью вращения относительно оси распространения фронта пространственной спиральной волны», позволяет пространственную спиральную волну, создаваемую антенной, вращать вдоль оси ее распространения.

Признак, указывающий, что «разрез поверхности антенны выполнен по радиусу не менее двух раз через равные угловые интервалы», позволяет увеличить число волн, вложенных одна в другую, что повысит эффективность взаимодействия излучения с веществом, а также подавить биения, вызванные асимметрией масс вращения, и тем самым повысить точность формирования параметров пространственных спиральных волн.

Признаки, указывающие, что края разрезов антенны «выполнены с возможностью изменения расстоянии между ними, для чего разрезы снабжены средствами регулирования величины их отгиба друг от друга», позволяют подстраивать шаг пространственной спиральной волны под волновые характеристики облучаемого объекта и тем самым повысить эффективность воздействия на объект и точность получаемой информации об объекте.

Признак, указывающий, что «на задней поверхности антенны жестко закреплен вал», обеспечивает возможность придания вращения антенне при вращении вала.

Признаки, указывающие, что вал выполнен предпочтительно трубчатым и цилиндрическим, обеспечивают линейный, а не площадной контакт торца вала с чашей антенны, что позволяет сохранить возможность ее упругого деформирования, снизить материалоемкость устройства и упростить организацию «работы» вала с подшипниками.

Признак, указывающий, что вал выполнен соосным «с осью симметрии антенны», исключает неконтролируемые «биения» антенны, т.е. сохранение постоянным положения ее оси симметрии и постоянство положения оси распространения пространственной спиральной волны.

Признаки, указывающие, что «свободный конец вала кинематически связан с приводом вращения вала через муфту, выполненную из диэлектрика», позволяют обеспечить возможность передачи вращения на вал и исключить возможность передачи электромагнитного воздействия на узлы устройства, что важно при использовании антенны для излучения электромагнитных волн, а не волн иной физической природы, например звуковых, биологических или биоинформационных и т.п.

Признаки, указывающие, что «вал размещен в полости жесткого цилиндрического корпуса в подшипниках, зафиксированных в полости корпуса… с возможностью вращения…», обеспечивают возможность вращения антенны с повышенными скоростями.

Признак, указывающий, что «корпус установлен на станине на шарнире, предпочтительно шаровом», обеспечивает возможность произвольного пространственного ориентирования антенны и, соответственно, пространственной спиральной волны.

Признаки, указывающие, что «вал выполнен из металла и жестко скреплен с диэлектрической втулкой, которая жестко скреплена с антенной», как вариант, позволяют исключить возможность передачи электромагнитного воздействия на узлы устройства, что важно при использовании антенны для излучения электромагнитных волн, а не волн иной физической природы, например звуковых, биологических или биоинформационных и т.п.

Признаки «…средство регулирования величины отгиба краев разреза содержит язычок, жестко закрепленный на стороне антенны, противоположной излучателю, на одном крае разреза и нависающий над вторым краем разреза, при этом язычок снабжен резьбой, через которую пропущен валик, снабженный такой же резьбой, при этом свободный конец валика пропущен через отверстие во втором крае разреза с возможностью свободного вращения в нем и невозможностью возвратно-поступательного перемещения через это отверстие, причем продольная ось валика ориентирована перпендикулярно и поверхности язычка, и поверхности второго края разреза…» позволяют регулировать величину отгиба разрезов, т.е. изменять расстояния между ними, тем самым позволяют подстраивать шаг пространственной спиральной волны под волновые характеристики облучаемого объекта.

На фиг. 1 схематически показан вид сбоку устройства; на фиг. 2 показан вид сзади тарелки антенны; на фиг. 3 показано средство регулирования величины отгиба краев разреза, на фиг. 4 показана плоская волна, сформированная излучателем, при отсутствии вращения; на фиг. 5 показана спиральная вращающаяся волна, формируемая антенной с одним разрезом, на фиг. 6 показана спиральная вращающаяся волна, формируемая антенной с двумя разрезами.

На чертежах показаны излучатель поля 1, антенна 2, ее разрез 3, отгиб 4 краев 5 разреза 3, ось симметрии 6 антенны 2, фокус 7 антенны 2, задняя поверхность 8 антенны 2, ее кромка 9, вал 10 диэлектрические втулка 11 и муфта 12, подшипник 13, жесткий цилиндрический корпус 14, стойка 15, станина 16, шарнир 17, свободный конец 18 вала, привод вращения 19, валик 20, его резьба 21 и головка 22, отверстие 23 язычка 24, гайка 25, шайба 26, продольная ось 27 валика 20.

Излучатель поля 1 выполнен с возможностью взаимодействия с антенной 2, выполненной в форме тарелки, поверхность которой разрезана дважды через равные угловые интервалы до кромки 9 антенны 2 с отгибом 4 его краев 5 в плоскости, проходящей через линию разреза 3, ось симметрии 6 антенны 2 и ее фокус 7. Антенна 2 выполнена с возможностью вращения приводом 19, закрепленным на свободном конце 18 вала 10, относительно оси симметрии 6 антенны 2, совпадающей с осью распространения фронта пространственной спиральной волны. Диэлектрические втулка 11 и муфта 12 исключают электрический контакт антенны 2 с валом 10. В качестве излучателя поля 1 может быть использован, например, электромагнитный или ультразвуковой излучатель, или контейнер с каким-либо биообъектом и т.п.

В качестве базовой конструкции для антенны 2 используют тарельчатую антенну, выполненную из металла, толщиной, обеспечивающей ее упругое деформирование. Под центральной частью антенны понимаем ее центральную площадь, ограниченную линией контакта с антенной 2 полого вала 10.

Вал 10 выполнен цилиндрическим, трубчатым и жестко скреплен с задней поверхностью 8 антенны 2. Вал 10 может быть выполнен из металла и скреплен с антенной 2 через диэлектрическую втулку 11, которая непосредственно может быть закреплена на антенне 2 (в этом случае отпадает необходимость использования муфты 12 из диэлектрического материала).

Непосредственное соединение антенны 2 и вала 10 может быть обеспечено, например, диэлектрической втулкой 11, с внешней стороной которой жестко, например, сваркой скреплена кромка центрально расположенного (посадочного) отверстия антенны 2 (на чертеже не показано), при этом сама диэлектрическая втулка 11 может быть жестко скреплена с валом 10 болтами или сваркой.

Вал 10 выполнен соосным с осью симметрии 6 антенны 2, при этом его свободный конец 18 кинематически связан с приводом вращения 19. Кроме того, вал 10, размещенный в полости жесткого цилиндрического корпуса 14 в подшипниках 13, зафиксированных в полости корпуса 14, установленной на станине 16 стойкой 15 шарнира 17, предпочтительно шаровом, позволяют осуществить поворот антенны 2, что повышает технологичность практического применения.

Средство регулирования величины отгиба 4 краев 5 разреза 3 содержит язычок 24, жестко закрепленный на задней поверхности 8 антенны 2, противоположной излучателю 1, на одном крае 5 разреза 3 и нависающий над вторым краем 5 разреза 3, при этом язычок 24 снабжен отверстием 23 с резьбой, через которую пропущен валик 20, снабженный такой же резьбой 21, при этом свободный конец валика 20 пропущен через отверстие во втором крае 5 разреза 3 с возможностью свободного вращения в нем и невозможностью возвратно-поступательного перемещения через это отверстие, причем продольная ось 27 валика 20 ориентирована перпендикулярно и поверхности язычка 24, и поверхности второго края 5 разреза 3. Оно использовано в количестве, соответствующем количеству разрезов (по одному на каждый разрез).

Заявленное устройство работает следующим образом.

При включении в работу устройства излучатель поля 1 генерирует плоскую волну (см. фиг. 4), которая попадая на антенну 2, отражается ею в пространство, принимая вследствие «работы» антенны 2 либо спиральную форму (см. фиг. 5) при одном разрезе антенны, либо форму (см. фиг. 6) при разрезе в двух местах, при этом шаг волны регулируется средствами регулирования величины отгиба 4 краев 5 разреза 3. При этом для увеличения величины прогиба валик 20 максимально выкручивают из отверстия 23 с резьбой, выполненного на язычке 24, что обеспечивает максимальное отодвигание друг от друга краев 5 соответствующего разреза 3 (при этом конический конец валика 20 упирается в стенки отверстия второго края 5 разреза 3, обеспечивая его отодвигание). При необходимости минимизации отгиба 4 валик 20 вращают в обратную сторону, выкручивая его на заднюю сторону 8 антенны 2 (противоположную излучателю 1), что обеспечивает сближение краев 5 разреза 3.

Вращение тарелки антенны 2 придает сформированной при этом пространственной спиральной волне вращение относительно оси симметрии 6 антенны 2, совпадающей с осью распространения фронта пространственной спиральной волны. При этом привод вращения 19, взаимодействуя с валом 10 антенны 2 (либо через муфту 12, либо через диэлектрическую втулку 11 в зависимости от наличия того или иного узлов), обеспечивает вращение вала 10, а с ним и самой антенны 2. Вращением антенны 2 обеспечивается как правое, так и левое вращение поля, причем диэлектрические свойства муфты 12 или втулки 11 исключают возможность передачи электромагнитного воздействия на узлы устройства, что важно при использовании антенны для излучения электромагнитных волн.

Разрезом 3 поверхности антенны 2, выполненным не менее двух раз через равные угловые интервалы, обеспечивается подавление биений, вызванных асимметрией масс вращения и тем самым повышение точности формирования параметров пространственных спиральных волн (см. фиг. 6). Кроме того, увеличение числа разрезов 3 увеличивает число волн, вложенных одна в другую, что повышает эффективность взаимодействия излучения с веществом. Регулирование (см. фиг. 3) величины отгиба 4 краев 5 разреза 3 позволяет подстраивать шаг пространственной спиральной волны под волновые характеристики облучаемого объекта и тем самым повысить эффективность воздействия на объект и точность получаемой информации об объекте.

Вращение пространственной спиральной волны относительно оси ее распространения повышает эффективность процесса взаимодействия формируемого устройством излучения с веществом и информативность такого взаимодействия. Например, в технологиях облучения твердых, жидких и газообразных сред, обработки и обеззараживания семян, сыпучих пищевых продуктов. В медицине и биологии могут использоваться как при исследовании живого вещества, так и в диагностике и терапии: ИК-, УВЧ- и СВЧ-терапии. В ультразвуковом диапазоне - в химии, биотехнологии и металлообработке позволяют повысить эффективность технологических процессов. Специфические особенности распространения и взаимодействия вращающегося пространственного спирального поля в веществе (отражение, поглощение, пропускание, рассеяние) позволяют повысить глубину проникновения излучения в вещество и характер его взаимодействия, что позволит: в геологии и геофизике повысить глубину и разрешающую способность разведки полезных ископаемых и получить более детальную картину о структуре исследуемого вещества; в подводной ультразвуковой локации повысить информативность сигналов, помехозащищенность каналов и дальность обнаружения.