авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Моделирование дифракционного распространения волн и структура поля радиоволн увч и свч на нерегулярных трассах

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Дагуров Павел Николаевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФРАКЦИОННОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН И СТРУКТУРА ПОЛЯ РАДИОВОЛН УВЧ И СВЧ НА НЕРЕГУЛЯРНЫХ ТРАССАХ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Иркутск – 2010

Работа выполнена в Отделе физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра Сибирского отделения РАН.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Кашкин Валентин Борисович

доктор физико-математических наук, профессор

Тинин Михаил Валентинович

доктор физико-математических наук, профессор

Якубов Владимир Петрович

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Защита состоится 4 марта 2010 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.074.04 при Иркутском государственном университете по адресу: 664003, г. Иркутск, бульвар Гагарина, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Иркутского государственного университета.

Автореферат разослан «__» __________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.074.04,

кандидат физико-математических наук,

доцент Б.В. Мангазеев

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Непрерывное развитие радиоэлектронных средств различного назначения вызывает необходимость дальнейшего развития классического направления в радиофизике – распространения радиоволн вдоль земной поверхности. Это обусловлено тем, что качественные показатели сигнала и необходимые параметры аппаратуры в значительной степени определяются трактом распространения. Поэтому задача возможно более точного прогнозирования условий распространения, удовлетворяющего современному развитию радиоэлектроники, является актуальной. Проблема распространения радиоволн вдоль земной поверхности привлекала внимание многих выдающихся ученых. Большой вклад в ее решение внесли А. Зоммерфельд, Г. Вейль, П. Ван-дер-Поль, М.В. Шулейкин, Б.А. Введенский, В.А. Фок, Е.Л. Фейнберг и другие исследователи. Полученные ими фундаментальные результаты в основном относятся к распространению радиоволн вдоль регулярных поверхностей, таких как плоскость и сфера.

На загоризонтных трассах длиной до 100 – 150 км, а в гористой местности и на трассах большей протяженности доминирующим механизмом распространения радиоволн является дифракция. Практическое значение изучения закономерностей распространения на дифракционных трассах обусловлено потребностями частотно-территориального планирования как традиционных радиосистем различного назначения и проблемами электромагнитной совместимости между ними, так и быстрым развитием сотовой связи и систем беспроводного доступа. Актуальность проблемы также обусловлена появившимися в последнее время предложениями по использованию дифракционного механизма распространения для радиолиний, антенны которых устанавливаются в теневой зоне относительно друг друга. Это значительно упрощает выбор местоположения станций и позволяет избежать сооружения высоких и дорогих антенных опор. Возможность такого построения радиолиний обусловлена фундаментальным по своему значению переходом от аналоговой способа передачи информации к цифровым системам передачи связи, который позволяет существенно (на десятки децибел) уменьшить требуемый энергетический потенциал.



Реальные приземные трассы распространения являются в той или иной степени нерегулярными, т. е. имеющими неровности рельефа произвольной формы и различных масштабов. При расчете таких трасс возникает необходимость учета дифракции и рассеяния радиоволн на этих неровностях. Влияние нерегулярности рельефа наиболее выражено в условиях холмистой или гористой местности, когда препятствия рельефа зачастую можно аппроксимировать клиновидными препятствиями. При этом оказывается, что большое влияние на дифракционное поле (в отличие от трасс прямой видимости) наряду, естественно, с продольным профилем трассы распространения, оказывают и поперечные неровности рельефа. Такими поперечными неровностями могут служить и дифракционные экраны, с помощью которых можно регулировать дифракционное поле, усиливая или ослабляя его.

Целью диссертационной работы является разработка моделей дифракции радиоволн, учитывающих особенности геометрии препятствий рельефа и экспериментальное исследование пространственно-временной структуры поля УКВ на дифракционных трассах. Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

  1. Разработка двумерных моделей распространения радиоволн на дифракционных трассах и трехмерных моделей распространения, учитывающих поперечную форму препятствий.
  2. Развитие теории граничной дифракционной волны и обобщение ее на задачу многократной дифракции на нескольких последовательно расположенных экранах с произвольной формой краев.
  3. Экспериментальное исследование распространения радиоволн на дифракционных трассах с клиновидными препятствиями для изучения пространственно-временной структуры поля УКВ, искажений диаграмм направленности антенн, поляризационных зависимостей сигнала.
  4. Разработка методов регулирования электромагнитных полей с помощью дифракционных экранов и нового подхода к решению классических задач дифракции на ленте и щели.
  5. Экспериментальное исследование эффективности применения дифракционных экранов в качестве пассивных ретрансляторов и ослабляющих элементов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

  1. Получено решение задачи многократной дифракции Френеля-Кирхгофа на N непрозрачных полуплоскостях при произвольной ориентации их краев. Показано, что путем преобразования систем локальных координат 2N-кратный дифракционный интеграл сводится к N-кратному интегралу. Предложен метод расчета поля на приземных трассах, аппроксимируемых последовательностью кусочно-плоских и кусочно-однородных участков с клиновидными препятствиями, с помощью параболического уравнения.
  2. Проведен анализ влияния рефракционных свойств тропосферы и слоистых неоднородностей на поле на трассе с клиновидным препятствием. Показано, что это влияние уменьшается с увеличением высоты препятствия. Установлены значения интенсивности тропосферных слоев, вызывающих интерференционные флуктуации уровня поля.
  3. Предложена и разработана модель многолучевого дифракционного распространения радиоволн, учитывающая поперечный профиль препятствия. Показано, что она удовлетворительно описывает экспериментальные зависимости. Исследовано влияние направленности антенн на дифракцию волн на неровном крае препятствия. Теоретически и экспериментально показано сглаживание интерференционной картины при уменьшении ширины диаграммы направленности.
  4. Выполнено обобщение теории граничной дифракционной волны на многократную дифракцию волн на последовательно расположенных отверстиях (экранах).
  5. Проведены исследования пространственно- временной структуры поля УКВ на дифракционных трассах. Установлена связь временных флуктуаций сигнала с особенностями пространственной структуры дифракционного поля естественных экранирующих препятствий. Обнаружено существование устойчивых в среднем пространственных экстремумов дифракционного сигнала. Экспериментально показано влияние многолучевости дифракционного поля на форму диаграмм направленности антенн в тени препятствий. Исследованы характеристики деполяризации сигнала на дифракционных трассах.
  6. Выявлены особенности пассивной ретрансляции радиоволн с учетом влияния дифракционного поля прямого прохождения. Разработаны метод регулирования дифракционного поля прямого прохождения и метод уменьшения замираний поля на трассах с пассивными ретрансляторами.
    Разработан теоретически и подтвержден экспериментально метод уменьшения флуктуаций на открытых трассах с помощью последовательных дифракционных экранов.
  7. Проведено обобщение классической задачи дифракции волн на проводящей ленте (щели) на случай произвольной ширины ленты и при малых углах скольжения падающей волны. Решение задачи основано на рассмотрении механизмов двукратной дифракции Френеля-Кирхгофа с учетом отражений от ленты и поляризации волны. Показано, что результирующее поле представляет собой сумму геометрооптической волны, волн однократной дифракции и волн, испытавших двукратное рассеяние на краях ленты. Получено простое выражение в элементарных функциях для ослабления поля при скользящем падении.

Практическая значимость

Результаты работы имеют практическое значение для проектирования систем радиосвязи и решения проблем электромагнитной совместимости в дифракционной области. Разработанные модели дифракционного поля позволяют уточнить методики расчета уровней сигнала в теневой зоне препятствий. Полученные экспериментальные результаты являются существенным вкладом в имеющиеся знания о механизмах дифракционного распространения. Метод обобщенной граничной волны при многократной дифракции за счет уменьшения размерности дифракционного интеграла с 2N до N существенно уменьшает вычислительные затраты при численном решении дифракционных задач радиофизики, оптики и акустики. Метод решения задачи дифракции электромагнитных волн на ленте и щели может послужить основой для разработки эффективных методов расчета поля от поверхностей конечных размеров при скользящем падении волны. Метод увеличения уровня поля внедрен на интервале радиорелейной линии. Результаты работы, связанные с дифракцией на ленте и теорией граничной дифракционной волны реализованы в учебном процессе в Бурятском госуниверситете.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Обобщенная модель последовательной дифракции радиоволн на N полуплоскостях, учитывающая случай произвольно ориентированных краев полуплоскостей, путем преобразования локальных систем координат и применения многомерного метода стационарной фазы сводится к модели, использующей параллельные края. При этом 2N-кратный дифракционный интеграл преобразуется в N-кратный интеграл. Взаимный наклон краев приводит к явлениям фокусировки и дефокусировки дифракционного поля.
  2. Трехмерная модель дифракционного распространения УКВ, учитывающая поперечную к направлению распространения форму гребней клиновидных препятствий, позволяет прогнозировать неоднородность пространственной структуры дифракционного поля поперек линии трассы.
  3. Предложенный вывод поля граничной волны в области дифракции Френеля позволяет уточнить формирование граничной дифракционной волны. Введение амплитуды рассеяния волны элементом края и ее применение для расчета многократного рассеяния на элементах краев последовательно расположенных экранов (отверстий) дает метод расчета обобщенной граничной волны многократной дифракции. Полученное решение уменьшает размерность дифракционного интеграла в два раза и существенно сокращает время вычислений при расчете полей многократных дифракционных интегралов (при сравнимой точности вычислений на 2-3 порядка при двукратной дифракции).
  4. Дифракционное поле СВЧ и УВЧ в тени препятствий рельефа имеет мелкомасштабные пространственные неоднородности с периодами в единицы – десятки метров и амплитудой колебаний до 10 - 20 дБ. Временные флуктуации сигнала в теневой зоне зависят от особенностей пространственной структуры поля. Неоднородная пространственная структура дифракционного поля приводит к искажениям диаграмм направленности и нерегулярной деполяризации поля.
  5. Учет дифракционного поля препятствия позволяет оптимизировать ретрансляцию радиоволн с помощью дифракционных экранов, обеспечивающих увеличение уровня сигнала. Разработанный метод уменьшения отражений от земной поверхности с помощью последовательно расположенных экранов позволил уменьшить флуктуации сигнала на плоской трассе на 20 дБ.
  6. Метод решения задачи дифракции на проводящей ленте и щели в проводящем экране, основанный на учете двукратной дифракции Френеля-Кирхгофа и векторного характера электромагнитной волны, в отличие от известных методов применим при произвольной ширине ленты и малых углах скольжения. Полученное решение представляет собой сумму геометрооптической волны, волн однократной дифракции и волны двукратной дифракции, удовлетворяет принципу взаимности и выражается через обычный и обобщенный интегралы Френеля.

Апробация работы





Основные результаты диссертационной работы были представлены на XII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Томск, 1978, XIII Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Горький, 1981, межведомственном совещания «Ультракороткие волны и электромагнитная совместимость», Улан-Удэ, 1983, XIV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, 1984, XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, 1987, Девятом международном Вроцлавском симпозиуме по электромагнитной совместимости, Вроцлав, 1988, International Symposium on Radio Propagation, Beijing, China, 1988, International. Symposium on Antennas and Propagation (ISAP’ 89), Tokyo, Japan, 1989, XV Всесоюзной конференции по распространению радиоволн, Харьков, 1990, Всесоюзном совещании по приземному распространению радиоволн и электромагнитной совместимости, Улан-Удэ, 1990, XVII конференции по распространению радиоволн, Ульяновск, 1993, IV Международной научно-технической конференции «Распространение и дифракция волн в неоднородных средах», Москва,1994, URSI Commision F Trienal Open Symposium, Ahmedabad, India, 1995, XVIII Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Санкт-Петербург, 1996, Российской научно-технической конференции по распространению и дифракции волн, Улан-Удэ, 1996, 8th URSI Commision F Trienal Open Symposium, Aveiro, Portugal, 1998, XIX Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Казань, 1999, International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP2000), Fukuoka, Japan, XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Нижний Новгород, 2002, IGARSS Anchorage, USA, 2004. 21-ой Всероссийской конференции по распространению радиоволн. Йошкар-Ола, 2005, ClimDiff Cleveland, USA,2005, International Seminar «Days on Diffraction’2006»: St. Petersburg, 2006, XIV International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics":Tomsk, 2007, XXII Всероссийской конференции по распространению радиоволн, Ростов-на-Дону. 2008.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 52 работы, из них 14 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК и 1 изобретение.

Личный вклад автора

Публикации, составляющие основу диссертационной работы, выполнены большей частью в соавторстве. Работа [1] выполнена под руководством Н.Б. Чимитдоржиева, работа [2] под руководством В.Г. Ямпольского. В большинстве других публикаций вклад автора являлся определяющим, ему принадлежат постановка задач исследования, выбор методов решения, непосредственное участие в теоретических и экспериментальных исследованиях, анализ результатов. Автор являлся научным консультантом диссертационной работы А.С. Заяханова и научным руководителем диссертационной работы А.В. Дмитриева.

Объем и структура работы

Диссертация изложена на 265 страницах машинописного текста, иллюстрируется 96 рисунками и графиками, состоит из введения, 6 глав, заключения, приложения и списка литературы из 188 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цель и задачи исследования, изложены новые научные результаты, полученные в работе и положения, выносимые на защиту; излагается структура и краткое содержание работы.

Первая глава посвящена разработке двумерных моделей дифракции волн.

В первом параграфе главы рассмотрены методы решения задач распространения радиоволн вдоль земной поверхности. Показано, что простым и эффективным способом решения эти задач при наличии выраженных препятствий рельефа являются методы теории дифракции Френеля-Кирхгофа.

Во втором параграфе решается обобщенная задача дифракции на N непрозрачных полуплоскостях (рис. 1), когда их края ориентированы произвольным образом относительно друг друга. В результате последовательного применения принципа Гюйгенса-Френеля дифракционное поле в точке наблюдения записывается в виде многократного интеграла Релея-Зоммерфельда. В полученном 2N-кратном интеграле проводится преобразование локальных систем координат, связанных с каждым препятствием. Это преобразование позволяет устранить зависимость пределов интегрирования от поперечных координат, что дает возможность вычислить N-мерный интеграл по данным переменным в явном виде с помощью многомерного метода стационарной фазы. Далее, после преобразований, основанных на свойствах матриц, исходный интеграл для дифракционного поля сводится к N-кратному интегралу, характерному для дифракции на последовательно расположенных препятствиях с параллельными краями

(1)

Полученное выражение анализируется для случая двух препятствий. В этом случае поле можно вычислить с помощью однократного интеграла – обобщенного интеграла Френеля. Результаты численных расчетов на примере двух препятствий показывают, что для небольших закрытий (углов дифракции) зависимость от угла наклона краев выражена слабо, однако с увеличением закрытия данная зависимость резко возрастает. Установлено, что края полуплоскостей, перпендикулярные друг другу, не взаимодействуют между собой, а множитель ослабления поля в этом случае равен произведению множителей ослабления на одиночных препятствиях. При касательном распространении через две полуплоскости, края которых наклонены по отношению к горизонтали на углы 1, 2, для множителя ослабления получено следующее простое выражение

(2)

где параметр связан с расстояниями от источника до первого препятствия d1, от первого препятствия до второго d2 и расстоянием и от второго препятствия до точки наблюдения d3 соотношением

На рис. 2 для примера показаны рассчитанные по этой формуле зависимости множителя ослабления от угла взаимной ориентации препятствий = 1 2 для различных значений . Из приведенных кривых следует, что наиболее заметно поле изменяется при близко расположенных друг к другу препятствий (большие ) и слабо зависит от при разнесенных препятствиях (малые ).

Рис. 2. Зависимость множителя ослабления от угла взаимной ориентации

Третий параграф главы посвящен рассмотрению методов вычисления многократных дифракционных интегралов типа (1). Сделан вывод, что лучшим методом вычисления, как по скорости расчёта, так и по получаемой точности результатов является метод Монте-Карло. Отмечается также, что данный метод является универсальным и пригоден для вычисления многократных интегралов, возникающих в задачах распространения радиоволн над земной поверхностью. В связи с этим в данной работе численные расчеты, связанные с вычислением многократных дифракционных интегралов, проводились методом Монте-Карло.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.