Электродинамический анализ особенностей рассеяния электромагнитных волн крестообразными электрическими вибраторами

На правах рукописи

Стажарова Любовь Николаевна

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ

РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

КРЕСТООБРАЗНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ВИБРАТОРАМИ

01.04.03 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой

степени кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону 2006

Работа выполнена на кафедре автоматики и телемеханики на железнодорожном транспорте Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Габриэльян Дмитрий Давидович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Лерер Александр Михайлович,

кандидат физико-математических наук,

доцент Донец Игорь Владимирович

Ведущая организация: ФГУП «ГКБ «Связь», г. Ростов-на-Дону.

Защита состоится 27 октября 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.208.10 в РГУ по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, РГУ, физический факультет, ауд.247.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » сентября 2006г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.208.10

доктор физико-математических наук,

профессор Г.Ф. Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Расширение круга задач, решаемых современной радиоэлектроникой, значительное их усложнение стимулировало в последние десятилетия интенсивное развитие теории излучающих структур, включая также теорию и технику антенн. Это связано с тем, что новые качественные характеристики радиотехнических систем различного назначения в значительной степени определяются антенными устройствами. Так основные области использования радиоэлектроники в современных условиях и ближайшем будущем – связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радионавигация, радиоастрономия, а также системы определения государственной принадлежности, инструментальной посадки, радиоэлектронного противодействия и другие невозможны без применения антенн с различными характеристиками.

Необходимость существенного улучшения параметров радиотехнических систем зачастую диктует требования к характеристикам антенн, невыполнимые при традиционном подходе к решению задач и их построении. Этим и обусловлен поиск новых путей создания антенн, обработки сигналов, применения антенной техники в различных радиоэлектронных системах, требующие принципиально новых идей.

Одной из важнейших проблем современной радиоэлектроники является обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем. Наиболее остро эта проблема стоит в системах радиосвязи, в том числе и телекоммуникационных систем на подвижном составе, радионавигации, системах определения государственной принадлежности, размещающихся в непосредственной близости друг от друга или функционирующих в зонах с высокой плотностью абонентов.

Расширение круга решаемых задач приводит к использованию в антеннах, как правило, сигналов круговой поляризации. Однако вопросы, связанные с решением задач электромагнитной совместимости в случае антенн круговой поляризации, не нашли своего полного отражения и анализа. Последнее связано с тем, что данные вопросы рассматриваются на основе упрощенных моделей. В частности вне рамок анализа остаются задачи рассеяния электромагнитных волн на излучателях круговой поляризации. При этом существующие явления переотражения электромагнитных полей на элементах излучателя, расположенных в ближней зоне по отношению друг к другу, требуют строгих подходов, основанных на использовании и решении краевых задач электродинамики, связанных с использованием метода интегральных уравнений, теории функций комплексного переменного.

Возникновение принципиально новых эффектов при рассеянии электромагнитных волн на излучателях круговой поляризации требует проведения большого объема исследования. В современных условиях, когда время на разработку новых радиоэлектронных систем значительно сокращено, это невозможно без широкого использования ЭВМ, в основе которого стоит создание соответствующих элементов САПР. В конечном итоге, все выше сказанное определяет актуальность рассматриваемых вопросов и темы диссертации в целом.

Данные элементы включают разработку адекватных реальным устройствам математических моделей разного уровня сложности, численных методов решения краевых задач электродинамики, алгоритмов и программ решения систем интегральных уравнений.

Целью диссертации является исследование особенностей характеристик рассеяния электромагнитных полей антенной решеткой крестообразных электрических вибраторов с сосредоточенными нагрузками и научно-обоснованный выбор нагрузок, обеспечивающий минимизацию мощности рассеянного электромагнитного поля.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные задачи:

разработка электродинамической модели антенной решетки крестообразных вибраторов с сосредоточенными нагрузками;

изучение взаимосвязи распределения тока и диаграммы рассеяния с параметрами антенной решетки крестообразных вибраторов с сосредоточенными нагрузками;

научно-обоснованный выбор параметров антенной решетки для достижения заданных характеристик излучения и рассеяния электромагнитного поля, а также минимизации уровня рассеиваемой антенной поля;

выполнение исследований характеристик излучения и рассеяния данной антенны.

Научная новизна полученных в диссертации результатов определяется поставленными задачами, предложенными методами их решения и впервые полученными результатами:

– разработанной с использованием метода интегральных уравнений математической моделью антенной решётки тонких крестообразных электрических вибраторов с сосредоточенными нагрузками, позволяющей при решении задач излучения и рассеяния электромагнитных волн учитывать параметры излучающего раскрыва антенной решетки, в том числе величины и точки включения нагрузок в плечи вибраторов;

– исследованием особенностей взаимодействия гармоник в ортогональных плечах крестообразного электрического вибратора, заключающихся в наличии взаимной связи между антисимметричными гармониками и отсутствии такой связи между симметричными или симметричными и несимметричными гармониками в ортогональных плечах излучателя;

– решением в замкнутой форме задачи минимизации мощности рассеянного электромагнитного поля находящимся в свободном пространстве крестообразным электрическим вибратором путем научно обоснованного выбора величины включаемой нагрузки с учетом особенностей взаимодействия гармоник различного типа в ортогональных плечах вибратора;

– решением задачи минимизации мощности рассеянного электромагнитного поля крестообразным электрическим вибратором путем обоснованного выбора параметров нагрузок с учетом особенностей взаимодействия гармоник различного типа в ортогональных плечах вибратора;

– выявленными основными закономерностями влияния параметров включаемых нагрузок на характеристики излучения и рассеяния электромагнитных волн крестообразными электрическими вибраторами;

– результатами численных исследований влияния сосредоточенных нагрузок, включенных в разрывы плеч вибратора или подключенных к его входу, на его диаграмму рассеяния.

Практическая значимость работы определяется, прежде всего, разработанными текстами программ электродинамического моделирования процессов излучения и рассеивания электромагнитных волн крестообразными электрическими вибраторами с включенными нагрузками. Данные пакеты в качестве ядра включают программы электродинамического анализа крестообразных электрических вибраторов.

Созданный программный комплекс был, в частности, применен для анализа и оптимизации крестообразных электрических вибраторов с нагрузками, а также для исследования основных закономерностей и эффектов, связанных с наличием взаимной связи несимметричных гармоник в ортогональных плечах.

Полученные в диссертации результаты и разработанные пакеты программ могут быть непосредственно использованы в научно-исследовательских организациях и на предприятиях, занятых разработкой и производством радиотехнических систем различного назначения. Разработанные программы расчета характеристик излучения и рассеяния крестообразных электрических вибраторов включены в систему электродинамического моделирования СВЧ устройств Государственного научного учреждения «научно-исследовательский институт «Специализированные вычислительные устройства защиты и автоматики» Минобразования России». Практическая значимость работы подтверждена актами внедрения. Кроме того, практическая значимость результатов состоит в следующем:

Разработан пакет прикладных программ, позволяющий исследовать распределение токов в плечах крестообразного вибратора, а также диаграмму излучения и рассеяния при возбуждении антенной решетки совокупностью сосредоточенных ЭДС или плоской электромагнитной волной с учетом параметров излучателя и включенных нагрузок.

Определены параметры сосредоточенных нагрузок, обеспечивающих достижение минимально возможного значения уровня рассеянного поля антенной решетки крестообразных вибраторов.

Проведены исследования влияния параметров нагрузок на характер распределения токов в плечах вибраторов и диаграмму рассеяния излучателя при возбуждении плоской электромагнитной волной произвольной поляризации.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

– эффект взаимосвязи несимметричных по характеру распределения гармоник токов в ортогональных плечах вибратора;

– аналитическая форма зависимости между параметрами крестообразного электрического вибратора, в том числе и величинами включенных в плечи нагрузок, что позволяет обеспечить улучшение электромагнитной совместимости антенн;

– решение задачи выбора параметров нагрузок (в замкнутой форме так же), обеспечивающих минимизацию мощности рассеянного электромагнитного поля крестообразным электрическим вибратором;

– результаты численных исследований диаграмм направленности в режимах излучения и рассеяния, формируемых системой крестообразных электрических вибраторов с включенными в плечи сосредоточенными нагрузками с произвольными параметрами.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов определяется корректной постановкой решаемых задач, применением корректных физических и математических моделей, правильно отражающих физические процессы в рассматриваемых технических объектах, использованием эффективных вычислительных методов. Контроль достоверности результатов осуществляется выполнением законов сохранения энергии, анализом сходимости результатов решения, контролем точности результатов, сравнительным анализом результатов, полученных различными методами.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

«Физика и технические приложения волновых процессов», III Международная научно-техническая конференция. - Волгоград. 2004.

Международная научная конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ – ИРЭМВ – 2005». – Таганрог. 2005.

Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России: Третья Международная научно-практическая конференция «ТелеКомТранс - 2005». – Сочи. 2005.

IV Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов». - Нижний Новгород. 2005.

Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России: Четвертая Международная научно-практическая конференция «ТелеКомТранс - 2006». – Сочи. 2006.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в реферируемых научных журналах, а также в сборниках трудов и тезисов докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях:

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и двух приложений. Работа содержит 177 страниц машинописного текста, 60 рисунков и список использованных источников, включающий 111 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель и определены методы исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения и выводы, выносимые на защиту, а также представлено краткое содержание работы.

В первом разделе проведен краткий обзор и анализ основных методов решения задач излучения и рассеяния электромагнитных волн линейными и крестообразными электрическими вибраторами с включенными в плечи нагрузками произвольной величины. Отмечены достоинства и недостатки существующих методов решения. Выполненный обзор показал, что в известных на данный момент подходах, опубликованных в ведущих отечественных и зарубежных изданиях, на данный момент отсутствуют в замкнутой аналитической форме решения задач синтеза комплексных нагрузок, позволяющие минимизировать уровень рассеянной мощности. Определены направления дальнейших исследований.

Во втором разделе решены задачи возбуждения антенной решетки крестообразных электрических вибраторов совокупностью сторонних ЭДС или плоской электромагнитной волной произвольной поляризации.

Общая постановка задачи формулируется следующим образом. Имеется совокупность N симметричных крестообразных вибраторов (рис.1).

Плечи излучателей попарно параллельны и ориентированы вдоль осей 0x

и 0y в декартовой системе координат. Длина плеча каждого вибратора равна , а радиус . Центры вибраторов расположены в произвольных точках с координатами (). Область, в которой расположены вибраторы, имеет относительные диэлектрическую и магнитную проницаемости проводимость , соответственно равные , , . В разрывы плеч включены сосредоточенных нагрузок , (), величины которых могут меняться. К выходу каждого вибратора может быть подключена нагрузка величины () или сосредоточенная ЭДС (), величина которой является различной для каждого из излучателей. Возбуждение АР происходит в одном случае плоской электромагнитной волной, падающей с направления , во втором случае – сосредоточенной ЭДС.

Основой решения данных задач является формулировка интегрального уравнения относительно неизвестных токов в плечах крестообразных электрических вибраторов. Данная система уравнений для случая возбуждения плоской электромагнитной волной имеет вид:

где множитель учитывает наличие металлического экрана:

.

При решении задачи возбуждения вибраторов совокупностью сосредоточенных ЭДС получаемая система уравнений отличается только правой частью.

Для решения системы интегральных уравнений использовался метод Бубнова-Галеркина, в котором в качестве весовых и базисных функций рассматривалась полная система функций вида и (), учитывающих в наиболее полной степени характер распределения токов в тонком вибраторе. Включенные в плечи нагрузки учитывались как внеинтегральные члены, входящие в уравнение.

Получаемая система алгебраических уравнений имеет матрицу, представляющую собой матрицу взаимных сопротивлений гармоник в плечах вибраторов. Анализ особенностей данных коэффициентов показывает, что коэффициенты взаимной связи симметричных гармоник в ортогональных плечах равны нулю, в то время как соответствующие коэффициенты для антисимметричных гармоник отличны от нуля. Данная особенность может быть легко объяснена на основе анализа взаимодействия двух симметричных диполей в ортогональных плечах, ориентированных вдоль оси , токи в которых могут совпадать по направлению (гармоники ) или быть противоположны (гармоники ), как показано на рис.2.

а) б)

в) г)

Рис. 2

Рассмотрим поля, создаваемые этими диполями в двух симметричных точках, расположенных на оси . На рис.2 приведены следующие обозначения: и компоненты вектора напряженности электрического поля 1-го диполя Герца в точке A; и компоненты вектора напряженности электрического поля 1-го диполя Герца в точке B; и компоненты вектора напряженности электрического поля 2-го диполя Герца в точке A; и компоненты вектора напряженности электрического поля 2-го диполя Герца в точке B; результирующие и компоненты вектора напряженности электрического поля в точке A; результирующие и компоненты вектора напряженности электрического поля в точке B; результирующие векторы напряженности электрического поля в точках A и B.

Полученные результаты показывают, что матрица взаимных сопротивлений для одиночного вибратора в свободном пространстве имеет вид: