Fonte: United States Patent and Tradewmark Office
United
States Patent
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5,041,834
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Koert
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August 20, 1991
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Patente dos Estados Unidos
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5,041,834
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Koert
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20 De agosto de 1991
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Espelhos ionosféricos artificiais são compostos por uma camada de plasma
que pode ser inclinada
Resumo
Esta invenção refere-se a
geração de um espelho ionosféricos Artificial (AIM), ou uma camada de plasma na
atmosfera. O objectivo é usado como a ionosfera para refletir energia RF em
grandes distâncias. Um objectivo inclinável é criado por uma antena aquecedor
controlada na fase e frequência. O desvio de fase de antena aquecedor varre um
feixe para pintar uma camada de plasma. Frequência é alterada para recentrar em
continuamente altas altitudes para inclinar a camada de plasma.
Inventores:
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Koert; Peter
(Washington,
DC)
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Cessionário:
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APTI, Inc.
(Washington, DC)
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Appl. n. º:
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07/524,435
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Arquivado:
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17 De Maio de 1990
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Classe atual dos EUA:
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342/367 ; 342/372
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Classe internacional atual:
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H01Q 21/06 (20060101); H01Q
15/14 (20060101); H01Q 3/26 (20060101); H04B 7/22 (20060101); H04B 007/00 ();
H01Q (22/03/00)
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Campo de pesquisa:
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342/367,353,371,372 455/64
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| 3445844 | May 1969 | Grossi et al. |
| 4253190 | February 1981 | Csonka |
| 4686605 | August 1987 | Eastlund |
| 4712155 | December 1987 | Eastlund et al. |
| 4817495 | April 1989 | Drobot |
Attorney, Agent or Firm:
Reclamações
O que é reivindicado é:
1. Um método para gerar um objectivo, que inclui as etapas de:
(a) criação de ionização avalanche na atmosfera usando uma antena aquecedor;
(b) reorientação disse antena aquecedor para alterar a altitude de ionização avalancha referido por freqüência mudando disse antena aquecedor; e
(c) varredura disse antena aquecedor para pintar uma camada de ionização de avalanche.
2. Um método para gerar um objectivo como alegado na reivindicação 1, onde disse antena aquecedor concentra-se no próximo campo.
3. Um aparelho para a geração de um objectivo que inclui:
uma antena de aquecedor de Multielementos que concentra-se a uma altitude de causar uma área de ionização avalanche a ser criado na atmosfera;
(b) meios para controlar a freqüência dos radiadores individuais de antena de aquecedor disse phased array recentrar a referida altitude de área de ionização avalancha disse; e
(c) meios para controlar a fase de radiadores individuais para digitalizar antena de aquecedor disse phased array.
4. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 3 onde disse antena aquecedor de Multielementos concentra-se causar avalanche disse ionização área substancialmente a linha.
5. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 4 onde disse meios para controlar a fase move disse linha substancialmente a uma altitude constante e meios para controlar a freqüência movimentos referida linha para diferentes altitudes.
6. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 4 onde disse antena de aquecedor em fases matriz é uma matriz retangular e linha disse é formada paralelamente a uma dimensão longa da referida matriz retangular.
7. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 3 onde disse antena aquecedor de Multielementos concentra-se causar avalanche disse ionização área ser substancialmente um ponto.
8. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 7 onde disse meios para controlar a fase move disse ponto substancialmente à mesma altitude e meios para controlar a freqüência movimentos ponto a diferentes altitudes.
9. Um aparelho para gerar um objectivo como alegado na alegação 3 onde disse antena aquecedor de Multielementos concentra-se no próximo campo.
10. Um método de gerar um objectivo que inclui as etapas de:
(a) concentrando-se uma antena de aquecedor phased array a uma altitude de causar uma área de ionização avalanche a ser criado na atmosfera;
(b) controlando a freqüência de radiadores individuais de antena de aquecedor disse phased array recentrar a referida altitude de disse área de ionização avalanche;
(c) controlar a fase de radiadores individuais para digitalizar antena de aquecedor disse phased array.
11. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 10 onde disse passo de focalizar causas disse ionização avalanche são substancialmente a linha.
12. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 11 onde disse passo de controlar movimentos de fase disse linha substancialmente em uma altitude constante e cada escalão disse controlando a freqüência se move a linha disse a diferentes altitudes.
13. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 11 onde disse antena de aquecedor em fases matriz é uma matriz retangular e linha disse é formada paralelamente a uma dimensão longa da referida matriz retangular.
14. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 10 onde disse passo de focalizar causas avalancha disse ionização área ser substancialmente um ponto.
15. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 14 onde disse passo da fase controlar movimentos ponto substancialmente na mesma altitude e passo disse controlando a freqüência move referido ponto para diferentes altitudes.
16. Um método de gerar um objectivo como alegado na alegação 10 onde disse etapa de focalizar é executada no próximo campo.
Descrição
PLANO DE FUNDO DA INVENÇÃO
1. Campo da invenção
Esta invenção refere-se a geração de um espelho ionosféricos Artificial (AIM), ou uma camada de plasma na atmosfera. O objectivo é usado como a ionosfera para refletir energia RF em grandes distâncias.
2. Descrição da arte relacionado
No passado, a técnica de usar a ionosfera como um espelho para refletir as ondas de rádio, ou energia de RF, tem dado os operadores de rádio amador a capacidade de enviar transmissões a longas distâncias. Essa técnica também forneceu sistemas de radar a capacidade de olhar "no horizonte." Variações e flutuações na ionosfera, no entanto, podem tornar a eficácia de tais comunicações incerto. Assim, reconheceu-se a conveniência de criar camadas de plasma controlável na atmosfera para fins de comunicação. Ver, por exemplo, US Pat. N º 4,686,605 emitido para Eastlund e US Pat. N º 4.712.155 emitido para Eastlund et al.
Experiências anteriores dirigidas para criar camadas de plasma para comunicações sofreram a incapacidade de controlar a inclinação da camada de plasma para que sinais poderiam ser transmitidos e recebidos de vários intervalos. Em outras palavras, enquanto que um poderia criar uma camada de plasma na atmosfera a uma altitude mais baixa do que a ionosfera, comunicações ponto a ponto teria limitadas no intervalo com base nos ângulos de reflexão dos sinais transmitidos e refletidos.
RESUMO E OBJETOS DA INVENÇÃO
Em vista das limitações da arte relacionado é um objeto da presente invenção para gerar uma camada de plasma que poderia ser angulada ou inclinada com relação ao horizonte de modo a afetar o alcance de transmissão do sinal.
A presente invenção fornece um método para gerar uma camada de plasma em altitudes controladas e inclinações que funciona como um espelho ionosféricos artificial (AIM) para refletir sinais de RF e sistema. O objectivo aumenta o alcance e a previsibilidade com qual RF energia pode ser refletida o objectivo para fins de comunicação. Mais especificamente, um objectivo inclinável é criado por uma antena aquecedor controlada na fase e frequência. O desvio de fase de antena aquecedor varre um feixe para pintar uma camada de plasma. Antena aquecedor continuamente focaliza em um altas altitudes por freqüência mudando para inclinar a camada de plasma.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Mais detalhes da invenção presente são explicados com a ajuda dos desenhos conectados em que:
Fig. 1 mostra a criação de um objectivo por uma antena aquecedor e uso do objectivo para o controle de aeronaves e refletindo as ondas de rádio.
Fig. 2 mostra uma matriz de aquecedor típico.
Fig. 3 mostra a relação espacial para uma matriz de aquecedor utilizado na definição de foco de matriz de aquecedor.
Fig. 4 é um gráfico que mostra que a energia está em seu limite superior no ponto focal de antena.
Fig. 5 mostra geração de plasma por uma matriz de aquecedor.
Fig. 6 ilustra a geração de uma camada de plasma por uma antena aquecedor de varredura.
Fig. 7 ilustra a geração de uma camada de plasma inclinado por varredura e reorientar a antena aquecedor.
Fig. 8 mostra a geração de uma camada de plasma com uma antena aquecedor para digitalizar com uma linha em vez de um ponto.
Fig. 9 mostra as correções de fase para mover o ponto de contacto da antena de 60 Km a 61 Km.
Fig. 10 mostra as correções de frequência para mover o ponto de contacto da antena de 60 Km a 61 Km.
Fig. 11 é uma trama de altitude v. local de distância do plasma sem freqüência chilrear.
Fig. 12 é uma trama de altitude v. local de distância do plasma com frequência chilrear.
Fig. 13 mostra a mudança de densidade de potência após a reorientação usando freqüência chilrear.
Fig. 14 gráficos da densidade do elétron livre v. altitude para uma matriz desfocada.
Fig. 15 mostra um padrão de alimentação de antena sem Gradil lóbulos.
Fig. 16 mostra um padrão de alimentação de antena com Gradil lobos.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS ENCARNAÇÕES PREFERIDAS
Fig. 1 ilustra a criação e o uso de um Artificial ionosféricos espelho (AIM) para o controle de aeronaves e refletindo as ondas de rádio. Uma antena aquecedor 1 irradia causando ionização de avalancha energia ou avaria liberando elétrons livres na atmosfera para gerar o objectivo 2. A aquecedor antena 1 é uma matriz que pode ser usada para concentrar energia em diferentes altitudes e elevações para inclinar o objectivo 2 usando o controle de fase e frequência. O objectivo 2 simula a ionosfera 3 que também é usada para detectar "sobre os alvos horizon" 5. Além disso, o objectivo 2 pode refletir sinais de rádio transmitidas de um transmissor de 6 para um receptor 7 longas distâncias.
Uma antena aquecedor típico é mostrada na Fig. 2. Ele consiste de uma matriz de vários elementos radiantes ativos 10 tendo sua fase individual e freqüência controlada de um módulo de controle 12. O elemento radiante 10 é usado aqui para representar todas as antenas possíveis, incluindo, mas não se limitando a, dipolos, caça-níqueis, pequenos ou grandes chifres, antenas log-periodic, grandes refletores parabólicos, etc.
Fig. 3 mostra a relação espacial para uma matriz de aquecedor focada. Para ter os campos elétricos de todo o foco de elementos de matriz, ou chegar na fase a distância R.sub.o no campo próximo da matriz, é necessário corrigir a fase de cada elemento para compensar a diferença de atraso de fase do elemento Centro devido ao caminho de fase adicional W.sub.ij. Se R.sub.o é muito maior que o máximo D.sub.ij na Fig. 3, o atraso de fase pode ser aproximado em comprimento de onda a ser:
onde g é o comprimento de onda da frequência de aquecedor. Equação 1 é referida como o erro quadrático fase. Se esse erro for menor que g/8 quando o elemento (i, j) é na borda externa da matriz, então a distância R.sub.o é dito ser o campo distante da matriz.
A fim de concentrar-se no conjunto, R.sub.o, é necessário dispor de vários comprimentos de onda de erro de fase dos elementos exteriores da matriz. Ou seja, o termo "foco" é usado neste contexto significa que o campo elétrico da matriz está concentrado em uma região espacial desejada.
Fig. 4 mostra o grau de foco que pode ser realizado. Este é um padrão vertical de uma matriz cujos elementos tenham sido fase mudado para foco em 60 km. A matriz tem 400 elementos com uma largura total e comprimento de 2000 g. O pico do padrão é determinado pela dependência 1/R.sub.o.sup.2.
A camada de ionização objectivo é criada usando esse poder concentrado para ionizar uma área na atmosfera, como mostrado na Fig. 5. A repartição de microondas de ar ocorre onde elétrons livres ganham bastante energia de um campo elétrico para gerar elétrons livres adicionais até que não mais podem ser gerado, assim resultando em ionização de avalanche, ou de uma avaria. Isso faz com que a geração de uma camada de plasma 21. Por exemplo, um pulso de energia do aquecedor começa a se propagar na direção z mostrada na Fig. 5. Como o campo se propaga, mais elétrons livres são gerados. Um ponto de ruptura descende verticalmente o ponto focal do campo propagação dando espessura camada ionizada, ou camada de plasma, até que todos os ionização estabiliza. Esta "fixação" cria uma camada fina de plasma vertical.
Resultados da simulação mostram que quando uma matriz 20 concentra-se em um picos de energia 22, ponto do campo elétrico no ponto focal. Simulação de resultados mostra que dada uma ionização de avalancha de origem de microondas concentrado ou repartição ocorrerá em uma potência de nível 3-10 dB abaixo do nível de potência do ponto focal.
Para criar um objectivo, a matriz de aquecedor concentra-se em uma altitude desejada para maximizar o potencial de um ponto e, assim, gerar plasma. A antena do aquecedor, em seguida, "examina" a fase de cada elemento da matriz para mover o ponto focal.
Fig. 6 ilustra a criação de uma camada de objectivo noninclined. A matriz de aquecedor 30 concentra-se em primeiro lugar no ponto 31. A matriz de aquecedor verifica horizontalmente por fase, mudando para um ponto 32 criando uma linha de ionização avalancha 33. Em seguida, a matriz de aquecedor varre um ponto 34 um ponto 35 criando outra avalancha ionização linha 36. A matriz de aquecedor continua esse processo para criar um plano de ionização ou objectivo camada.
Para formar uma nuvem de objectivo inclinada, cada nova linha de ionização deve ocorrer a uma altitude ligeiramente superior. Alterando a fase ou frequência dos elementos da matriz, o ponto focal pode ser movido na altitude, conforme descrito abaixo.
Fig. 7 ilustra a criação de um objectivo inclinado. A matriz de aquecedor 40 concentra-se em primeiro lugar no ponto 41. A matriz de aquecedor varreduras ao longo da direção x ao ponto 42 para gerar ionização avalancha ao longo da linha 43. Em seguida, como na criação de um objectivo não inclinados, a matriz de aquecedor verifica junto a x e y instruções diretamente abaixo ponto 44. A matriz de aquecedor 40 altera a fase ou freqüência de recentrar a uma altitude superior na direção z até o ponto 44. A matriz de aquecedor examina, em seguida, ao longo do eixo x ao ponto 45 para criar a linha de ionização avalancha 46. A matriz de aquecedor continua esse processo para criar um plano de ionização inclinada ou inclinado camada de objectivo.
Fig. 8 mostra que o método preferido de gerar uma camada de plasma usa uma antena aquecedor para digitalizar com uma linha em vez de um ponto. Usando uma linha de varredura é preferido como um objectivo pode ser criado na atmosfera em menos tempo. Para criar linhas de ionização, em vez de pontos, uma matriz retangular 50 é usado. Na matriz de 50, elementos radiantes concentram-se apenas ao longo do plano da longa dimensão da matriz rectangular, criando uma linha de ionização 53. A matriz, em seguida, é verificada ao longo do eixo x-y e de altitude ao longo do eixo z para criar outra linha de ionização 55. Mais linhas de ionização da mesma forma são geradas para formar uma camada de objectivo inclinada.
Para criar um objectivo inclinado é necessário recentrar a matriz de aquecedor a altitudes sucessivamente mais elevados. Mover o ponto focal, alterando a fase de cada elemento do aquecedor de forma muito precisa não é prático. Mover o ponto focal do local inicial requer a alteração da fase em cada elemento. A mudança de fase necessária é perto do nível de tolerância do rms, tipicamente de 1 grau. Fig. 9 mostra as correções de fase necessária para mover o ponto focal de 60 Km para elementos de 61 km. 5, 10, 15 e 20 têm distâncias 5 d, 10D, d 15 e 20D, respectivamente do centro da antena, onde d = 25 metros é claro da Fig. 9 que é impraticável alterar inúmeras fases de elemento de antena para mover o ponto focal para criar patches inclinados para aplicações de objectivo. elementos de 2000 podem ser necessário aqui, para gerar energia suficiente para ionizar a atmosfera.
O segundo método de reorientação é realizado pela primeira configuração as fases de todos os elementos para o ponto de foco inicial e, em seguida, movendo o ponto focal, alterando a freqüência, em vez da fase. Esta frequência gorjeios método é menos preciso, mas mais fácil de implementação de hardware como fases precisas para elementos de 2000 não precisam ser alterados. Fig. 9 mostra as correções de fase necessária para mover o ponto focal de 60 Km 61 km. Fig. 10, indica que o ponto focal pode ser movido de 100 metros, aumentando a frequência aproximadamente 1 Mhz. Os níveis de energia resultantes do ponto focal não são totalmente otimizados, mas simulação mostra que há menos de um 0.1 diferença de DB entre a frequência mudou picos e os obtidos por eliminação.
Inclinar o AIM usando freqüência chilrear é prático para atingir em um sistema real. Fig. 11 mostra a localização de camada de plasma com nenhuma frequência chilrear. Fig. 12 mostra a localização de plasma do aquecedor mesmo criando um objectivo inclinado, aumentando a frequência de 550 MHz a 559.375 MHz durante a digitalização horizontalmente. O resultado é um bom patch com uma inclinação de 45 graus.
Embora seja verdade que freqüência gorjeios não alcança o mesmo poder que fase focando a altitude mais elevada, a diferença de freqüência pequena silvos é insignificante. Fig. 13 mostra dados de densidade de potência real gerados por um aquecedor de 300 MHz com foco a 70 km com a frequência gorjeou 308 MHz.
Da região de campo distante, poder encontra seu Ligado superior sem foco. Para um campo distante ou matriz desfocada, não há nenhuma maneira de elevar a altitude de ionização ou criar um objectivo inclinado. Ionização tem lugar em um ponto onde não há energia suficiente para iniciar a desagregação e onde há baixa suficiente densidade neutra (ou seja, pressão). Isso geralmente ocorre entre 40 e 50 km de altitude, como mostrado na Fig. 14. Por conseguinte, uma antena de campo focado próximo é necessário para criar um objectivo controlado.
O padrão de foco é uma figura de interferência construtiva e destrutiva dos campos dos elementos da matriz. Outras posições de interferência ou Gradil lóbulos, fora o ponto focal ocorrerem quando alguns dos elementos da matriz add up em fase. O poder do gradil lóbulos pode ser mantido abaixo do lóbulo principal, ou ponto focal, por ter um grande número de elementos na matriz e espalhá-los para fora sobre a abertura de matriz. Isso é chamado de afinamento do array. Para matrizes quadradas ter 400 elementos ou mais lóbulos Gradil pode ser mantido para baixo de 20 db ou mais a partir do ponto focal.
O grau de focalizar depende a relação da distância focal para tamanho de abertura. A largura da metade de sua potência de pico "V" pode ser aproximada como:
onde l é o comprimento da matriz que é assumido a Praça para a equação 2. O gradiente de energia no meio ponto de poder "grad(P)" pode ser aproximado como:
Para um fim é desejável que o gradiente de energia ser elevada porque isso determina diretamente o gradiente de densidade de elétrons da nuvem ionizada gerada. A densidade de elétrons deve ser elevada para evitar perdas de RF causadas por absorção. Daí v ser pequena, de preferência menos de 2 km. A aquecedor freqüência de 300 MHz e uma distância focal de 70 Km seria projeto um tamanho de abertura maior que 2 km. nota na equação 2 que ajusta o tamanho da matriz com a raiz quadrada da frequência.
Uma vez que é necessária uma antena de campo próximo, o campo próximo da antena aquecedor pode ser necessário estender para alcançar pontos distantes. Isso é feito, aumentando o tamanho da matriz. Pode não ser economicamente viável para encher esta abertura inteira com elementos, portanto, uma matriz diluído é utilizado.
Se uma matriz diluído tinha seus elementos uniformemente distribuídos, haveria muitos lóbulos Gradil no padrão de radiação da matriz. Estes lobos Gradil podem ser eliminados por aleatoriamente os elementos de espaçamento. No entanto, espaçamento aleatório coloca poder do lóbulos Gradil no nível dos lobos laterais média. Se não há novos elementos são introduzidos quando a abertura é aumentada, então a potência de pico do Lobo principal permanece constante e o lóbulo principal recebe menos da potência total como seu beamwidth diminui. Para preservar a eficiência da matriz aquecedor, grating lóbulos deve ser utilizado na criação de nuvem objectivo ou a matriz não pode ser fortemente diluída. Fig. 15 mostra uma matriz com espaçamento uniforme tendo grating lóbulos. Fig. 16 mostra uma matriz com espaçamento randomizado que elimina os lóbulos de Gradil.
Embora a invenção foi descrita acima com especial referência para determinadas encarnações preferidas. o, será entendido que modificações e variações são possíveis dentro do espírito e alcance das declarações anexadas.
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