Электродинамический анализ системы продольных электрических вибраторов в слое магнитодиэлектрика на металлическом круговом цилиндре

0.1.

Актуальность темы

исследований

0.1.1. Ни одна из отраслей человеческой деятельности не является столь многогранной и динамично развивающейся, как использование электромагнитных волн при решении задач радиосвязи, радиоопределения, радионавигации, радиолокации, радиопеленгации, радиоастрономии, всемирного координирования времени и ряда других направлений. Столь широкое использование явлений излучения, передачи и приема электромагнитных волн побудило к созданию Международного союза электросвязи и одного из основополагающих документов, регулирующих использование электромагнитных волн [1].

Несмотря на то, что по своей сути «Регламент радиосвязи» является организационным документом, в принципы, на которых он основывается, заложена необходимость внедрения в кратчайшие сроки новейших технических достижений [1]. В соответствии с указанными принципами все станции, независимо от их предназначения, должны устанавливаться и эксплуатироваться таким образом, чтобы не причинять вредных помех радиосвязи или радиослужбам других Членов Союза.

Вопросы исключения вредного взаимного влияния передающих станций различных радиослужб решаются в настоящее время, как правило, на основе распределения частотного спектра между соответствующими радиослужбами и выделения требуемых частот станциям данных радиослужб. Однако существующие ограничения на естественные ресурсы, к которым относится частотный спектр сигналов, требуют все более широкого использования технических мероприятий по улучшению электромагнитной совместимости различных радиосредств. Для этого, как отмечается в [1], излучение в ненужных направлениях и прием с ненужных направлений должны быть сведены к минимуму, если характер службы это позволяет, путем максимального использования свойств направленных антенн.

0.1.2. Изложенные выше наиболее общие принципы построения радиосредств определяют постоянный рост требований, которым должны удовлетворять антенно-фидерные устройства радиосистем. Связанное с этим расширение круга задач, решаемых современными радиосистемами, заключающаяся не только в передаче или приеме информации по радиоканалам, но, и в ряде случаев, определении местоположения объекта и его идентификации, а также их усложнение стимулировало интенсивное развитие антенных систем и, как следствие, проведение исследований по широкому кругу вопросов, связанных с теорией и техникой антенн.

Конструктивно антенны в процессе развития также существенно видоизменяются. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широкое распространение получают апертурные антенны, антенны бегущей волны, фазированные антенные решетки, щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые и другие типы конструктивного исполнения антенн [2, 3].

Кроме излучения и приема электромагнитных волн для передачи информации на расстояние или извлечения данных о положении и движении объекта антенная система стала выполнять ряд дополнительных функций, включая пространственную, временную и пространственно-временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости радиосистем. В ряде случаев возникает необходимость осуществления пространственно-временной фильтрации полей источников, расположенных в зоне Френеля [2−5].

Одной из важных проблем современной радиоэлектроники является одновременное обеспечение широкоугольного сканирования и электромагнитной совместимости радиотехнических систем, так как все шире используется различная радиоэлектронная аппаратура, растет число одновременно излучающих и принимающих антенн. Особую актуальность указанная проблема приобретает в связи с интенсивным развитием систем сотовой и мобильной связи [6]. В этом случае антенна, предопределяющая в большинстве случаев характеристики радиосистем в целом, будет определять не только зону охвата и доступности индивидуальных пользователей, но и саму возможность бесконфликтного использования систем связи в данном регионе.

Таким образом, наряду с антеннами, представляющими простые взаимные устройства, для решения возникающих задач применяются и антенные системы, являющиеся совокупностью излучателей, расположенных на неплоской поверхности и обеспечивающие одновременное решение целого ряда задач, направленных на достижение радиосистемой заданных ТТХ.

Значительная роль в современной радиоэлектронике принадлежит антенным решеткам с неплоским и, в частности, цилиндрическим излучающим рас-крывам, теория и техника которых интенсивно развивается в последние три десятилетия. Совместно с диэлектрическими покрытиями такие антенны образуют сложные излучающие структуры, путем изменения параметров которых возможно решение самого широкого круга задач по обеспечению формирования ДН заданной формы, согласования, широкой полосе частот и ряда других задач. Однако для таких сложных структур, закономерности влияния различных параметров в которых мало исследованы, возможность сокращения времени на разработку, оптимизацию параметров непрерывно связаны с разработкой адекватных реальным устройствам математических моделей разного уровня сложности, численных методов решения краевых задач электродинамики, создания программно-вычислительных комплексов для решения систем интегральных уравнений с тензорными функциями Грина.

В связи с этим проведение исследований по различным направлениям теории антенн включает в себя и решение вопросов в области радиофизики, прикладной и вычислительной электродинамики. Все это определяет несомненную актуальность исследований по вопросам теории цилиндрических антенных решеток с диэлектрическими укрытиями и их несомненную значимость не только для теории и техники антенн, но и в области радиофизики, включая w исследование структуры и характер распределения электромагнитных полей как в слое диэлектрика, так и вне его.

0.2. Предмет, цель и рамки исследований

Усложнение задач, решаемых антеннами в составе радиосистемы и, в частности, в составе станций сотовой и мобильной радиосвязи, требует при исследовании таких антенн широкого использования положений и теории сложных систем, на основе которого могут быть сформулированы требования к антенным системам и определены направления их совершенствования. В соответствии с таким подходом проведение исследований может быть сведено к рассмотрению вопросов в следующих областях [7−9]: анализ явлений возбуждения электромагнитных полей излучающими структурамипроектирование устройств генерации, преобразования частоты и усиления сигналовпроектирование устройств и вычислительных средств для извлечения и обработки информации, передаваемой по радиоканалам.

При исследовании антенной системы параметры устройств генерации, преобразования частоты и усиления сигналов, методы и алгоритмы обработки принимаемых сигналов считаются заданными и являются внешними параметрами по отношению к излучающему раскрыву.

В связи с вышесказанным, предметом исследований являются закономерности явлений возбуждения электромагнитных полей излучающими структурами, связывающие параметры структуры с характеристиками распределения полей в ближней и дальней зонах.

Объект исследования — излучающая структура в виде системы продольных электрических вибраторов, расположенных параллельно образующей металлического цилиндра с диэлектрическим покрытием.

Цель диссертационной работы — создание комплекса эффективных методик, алгоритмов и программных средств для электродинамического анализа излучающих структур в виде системы продольных вибраторов, расположенных вблизи металлического цилиндра в магнитодиэлектрическом слое с учетом векторного и многомодового характера распределения полей и токов в ближней и дальней зонах.

0.3. Научная новизна, практическая значимость исследований и основные положения, выносимые на защиту

0.3.1. Научная новизна полученных в диссертации результатов определяется поставленными задачами, разработанными новыми алгоритмами расчета электромагнитных полей, возбуждаемых продольным вибратором в присутствии цилиндра с диэлектрическим покрытием, и впервые полученными результатами моделирования:

0.3.1.1. Аналитическими соотношениями, описывающими компоненты электромагнитного поля, возбуждаемого в ближней и дальней зонах продольным электрическим диполем в присутствии металлического цилиндра с магни-тодиэлектрическим покрытием.

0.3.1.2. Решением в строгой постановке задачи о вычислении входного сопротивления электрического вибратора в присутствии металлического цилиндра с магнитодиэлектрическим покрытием.

0.3.1.3. Исследованием закономерностей влияния параметров металлоди-электрического слоя на цилиндре на структуру и характер распределения электромагнитного поля в ближней зоне, диаграмму направленности и входное сопротивление продольно ориентированного электрического вибратора.

0.3.2. Практическая значимость выполненных исследований состоит в том, что разработанные алгоритмы и созданный на их основе программно-вычислительный комплекс могут быть использованы при автоматизированном проектировании цилиндрических антенн с металлодиэлектрическим покрытием.

0.3.3. На защиту выносятся следующие основные положения теоретических и прикладных исследований:

0.3.3.1. Определение электромагнитного поля продольного электрического диполя, расположенного в слое магнитодиэлектрика вблизи кругового металлического цилиндра.

0.3.3.2. Решение задачи о распределении тока в продольном электрическом вибраторе, расположенном в слое магнитодиэлектрика вблизи кругового металлического цилиндра.

0.3.3.3. Результаты исследований распределения полей в ближней и дальней зонах при возбуждении металлического кругового цилиндра, покрытого слоем магнитодиэлектрика, а также изменения входного сопротивления вибратора в зависимости от геометрических и электродинамических параметров слоя.

0.4. Апробация, публикация и реализация результатов работы

Диссертационная работа выполнена в соответствии с основными направлениями научно-технических исследований по развитию систем радиосвязи с целью расширения зон уверенного приема радиосигналов в условиях городской застройки и на местности.

По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе: 9 статей и 9 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

— 3-я международная конференция «Использование радиочастотного спектра для радиосвязи, радиовещания и телевиденияправовые аспекты спектра регулирования деятельности операторов связи в России» «Спектр-2001», Москва, Россия, 2001;

— 2-я международная конференция «Развитие радиомониторинга в России» «Радиомониторинг-2002», Москва, Россия, 2002 г.;

— 2-я международная НТК «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, Россия, 2003 г.;

— IX международная НТК «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, Россия, 2003 г.;

— Международная НТК «Излучение и рассеяние ЭМВ» ИРЭМВ-2003, Таганрог, Россия, 2003 г.;

— V международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии «ЭМС-2003», Санкт-Петербург, Россия, 2003 г.;

— IV Международная конференция по теории и технике антенн (МКТТА'03), Сентябрь 9−12, Севастополь, Украина, 2003 г.;

— научно-практическая конференция «Телеком-2004», Ростов-на-Дону, Россия, 2004 г.

0.5. Структура и основное содержание работы

Результаты исследований изложены во введении, четырех разделах, заключении и трех приложениях.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. На основе использования метода интегральных уравнений сформулирована и решена задача возбуждения системы излучателей в слое магнитодиэлектрика на идеально проводящем круговом цилиндре, учитывающая многомодовый характер распределения полей и токов в ближней зоне.

2. На основе спектрального представления функции Грина решена задача о нахождении поля продольного электрического диполя, расположенного в слое магнитодиэлектрика на поверхности металлического кругового цилиндра.

3. Представлены в аналитической форме интегралы, описывающие коэффициенты взаимной связи и диаграммы направленности системы продольных вибраторов в слое магнитодиэлектрика на металлическом круговом цилиндре.

4. Разработан алгоритм и программно реализована методика электродинамического анализа системы продольных вибраторов в слое магнитодиэлектрика на металлическом круговом цилиндре.

5. Проведено комплексное исследование эффектов влияния параметров магнитодиэлектрического покрытия на распределение полей и токов как в слое магнитодиэлектрика, так и в свободном пространстве.

6. На основании решения задач электродинамического анализа антенн продольных вибраторов, расположенных в слое магнитодиэлектрика на металлическом цилиндре, подготовлен прототип системы автоматизированного проектирования цилиндрических антенн с диэлектрическими покрытиями.

2. В части реализации и использования результатов исследований опубликовано 9 научных статей [94−102]- сделаны и получили одобрение специалистов 9 докладов [103−111]- основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы в 3 отчетах о НИР [112−114].

Совокупность полученных результатов показывает, что решена актуальная научная задача, состоящая в разработке на основе спектрального представления функции Грина научно-методического аппарата электродинамического анализа антенн продольных вибраторов, расположенных в слое магнитодиэлек-трика на металлическом круговом цилиндре, допускающего построение эффективных алгоритмов численного расчета характеристик излучения и согласования. Применение созданного научно-методического аппарата позволяет разработать эффективные методики, алгоритмы и программные средства для электродинамического анализа антенн данного типа с учетом векторного характера и многомодового распределения полей и токов в ближней зоне. Это подтверждает, что поставленная в диссертационной работе цель достигнута.

3. Научные результаты и практические рекомендации, изложенные в диссертационной работе, могут быть использованы при решении ряда вопросов электродинамического анализа антенных устройств радиотехнических систем базовых станций комплексов подвижной связи и систем радиомониторинга окружающего пространства.

Результаты исследований могут найти свое применение в учебном процессе при разработке учебных курсов по электродинамике, теории антенн и теории подвижной радиосвязи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы, представленные в диссертационной работе, содержат решение научно-технических задач, отражающих ряд проблемных вопросов теории электродинамического анализа цилиндрических антенн продольных электрических вибраторов, расположенных в слое магнитодиэлектрика на идеально проводящем круговом цилиндре.