Исследование характеристик сферических резонаторных антенн малых электрических размеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Князев, Николай Сергеевич

• Князев, Николай Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Князев, Николай Сергеевич

Содержание

Введение

1 Решение задачи об излучении кольцевой щели на сфере

1.1 Классическое решение Стреттона и Чу

1.2 Численные результаты

Выводы по главе 1

2 Метод тензорной функции Грина при решении задачи об излучении кольцевой щели на сфере. Многослойное укрытие излучающей щели

2.1 Тензоры Грина

2.2 Кольцевая щель на сфере под многослойной диэлектрической

оболочкой

Выводы по главе 2

3 Решение внутренней задачи

3.1 Метод частичных областей - эквивалентных токов

3.2 Определение параметров излучающего резонатора

3.3 Асимптотические формулы для параметров резонатора

с учетом его малых размеров

Выводы по главе 3

4 Входное сопротивление нагруженного щелью резонатора. Численные и экспериментальные результаты

4.1 Характеристики антенны с воздушным заполнением резонатора

4.2 Характеристики антенны с резонатором, заполненным диэлектриком

4.3 Влияние многослойной диэлектрической оболочки на характеристики антенны

4.4 Экспериментальные результаты

4.5 Результаты моделирования в среде Апбой ГО^

Выводы по главе 4

5 Перспективы использования метаматериалов для уменьшения

размеров антенны

5.1 Основные свойства и классификация метаматериалов

5.2 Применение метаматериала внутри резонатора

5.3 Применение оболочки из метаматериала

Выводы по главе 5

Заключение

Список литературы:

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик сферических резонаторных антенн малых электрических размеров»

Введение

В современных радиотехнических системах наблюдаются тенденции к миниатюризации устройств. Это связано с прогрессом в области мобильных средств связи и возрастающим проникновением телекоммуникационных устройств в повседневную жизнь общества. В связи с этим актуальной задачей является улучшение массогабаритных характеристик элементов и узлов радиоаппаратуры. Эти же проблемы возникают и при создании антенн для летательных аппаратов, в том числе и беспилотных, технологии производства которых бурно развиваются в последнее время. Кроме того, здесь выдвигаются также жесткие требования к аэродинамическим характеристикам антенн.

Совершенствование элементной базы в последние десятилетия привело к уменьшению габаритов устройств и увеличению плотности компонентов внутри них. Однако это касается в основном частей радиоаппаратуры, размеры которых мало зависят от рабочей частоты.

Наиболее сложно подвергаются миниатюризации антенны и устройства СВЧ, так как их размеры определяются длиной волны. Так, при уменьшении электрических размеров антенн неизбежно возникает вопрос об эффективности и согласовании с линией питания, что не позволяет добиться высокого КПД для подобных излучателей в частотной полосе их использования, поскольку существуют теоремы, связывающие размеры антенны с широкополосностью [1,2].

Одной из причин низкой эффективности электрически малых антенн является запасенная в ближней зоне реактивная энергия. Например, для диполя Герца отношение запасенной и излученной энергии определяется формулой Родригеса [3]:

Р = 10 (у/)2

1

м

(В.1)

где II - момент диполя, к = 2%/Х - волновое число.

Из выражения видно, что при малых электрических размерах излучателя (г/Х)<£ 1, величина реактивной части энергии значительно больше активной.

Также существует связь между размерами антенны и добротностью и, соответственно, полосой пропускания. Впервые выражение, определяющее предельную добротность электрически малых антенн было получено в работе Чу [4]:

э Ж >Ж

,гг 3 ^ ГГ м,

изл

2(0 Ж.

(В.2)

я

Ж <1¥

,ГГ3 \ г г ,

изл

где Ризл - мощность, излученная за пределы радианной сферы, в которую вписана антенна, 1¥э, Жм - значения запасенной энергии электрического и магнитного полей соответственно, со - радиальная частота электромагнитных колебаний.

В этой же работе была установлена связь предельной добротности с максимально возможной полосой пропускания и коэффициентом стоячей волны (КСВ):

КСВ-1

¥ = ■

(В.З)

£л/КСВ '

Например, при значении КСВ=2, часто применяемом на практике, полоса пропускания определяется как:

1

4/ксв=2 _

272

(В.4)

На основе работы Чу в 1960 г. Харрингтоном были выведены формулы, связывающие размеры антенны с величиной предельной

добротности в зависимости от поляризации (предел Чу-Харрингтона) [5], которые были позже модифицированы Маклином [6]. Для вертикальной поляризации предельная добротность определяется выражением:

1 1 к а ка(\ + к а }

для круговой поляризации:

ка 2 к5 а6

здесь а - радиус условной сферы, охватывающей максимальный размер антенны.

Важный вклад в теорию электрически малых антенн внесли Колин и Ротшильд [6]. Ими использовался несколько иной подход для определения добротности:

0= [ ЭР (В.7)

И, с применением метода интегрирования комплексного вектора Пойнтинга по радиальной сфере, были получены формулы для добротностей электрически малых антенн вертикальной поляризации для различных мод излучения. Выражения для первых двух мод и <22 соответственно) имеют

вид:

к а ка

й в(в.8)

к а ка к а

Можно заметить, что при ка<&. 1 формулы (В.5) и (В.7) приводят к тождественному результату. Данный подход был развит в работах [7, 8], где добротность была выражена через пиковое значение реактивной энергии электромагнитного поля:

е Ц-тах(Жэ + Жм) (в9)

Таким образом были получены выражения для фундаментального предела добротности для произвольной поляризации излучения:

Также можно отметить работу Адамса и Хансена [В.9], в которой приводятся выражения для предельной добротности при различных формах граничных поверхностей.

Ближе всего к пределу добротности приблизились PIFA - антенны [10-12] и их модификации [13], а также диэлектрические резонаторные антенны [14-15]. Данные типы антенн в настоящее время наиболее широко применяются в мобильных устройствах. В последнее время данная тематика активно развивается, что связано с развитием мобильной связи и, соответственно, большим интересом к электрически малым антеннам.

Как показывает анализ публикаций, дальнейший прогресс в области создания антенн малых электрических размеров связывают с применением новых технологий и материалов [16]. Особое внимание уделяется использованию нового типа материалов - метаматериалов (МТМ) [17]. Метаматериалы - это композитные структуры, которые обладают уникальными свойствами - отрицательными коэффициентами диэлектрической и (или) магнитной проницаемости, а также показателем преломления [18]. Использование МТМ позволяет компенсировать реактивную энергию, запасенную в ближней зоне антенн [19] и получить излучатели, характеристики которых превосходят фундаментальный предел Чу-Харрингтона.

В связи с этим количество работ по вопросам использования метаматериалов в антенной технике постоянно растет. Предлагаются всё новые конструктивные решения, позволяющие улучшить характеристики метаматериальных сред и антенн, их содержащих. Уже появились первые промышленные образцы антенн мобильных устройств, использующих МТМ в конструкции.

Q

(В. 10)

С практической точки зрения важным вопросом также является применение в антеннах укрытий, в том числе многослойных [20]. С одной стороны они могут использоваться в качестве обтекателей или защитных покрытий, предотвращающих негативное воздействие окружающей среды (температурное, механическое и т.д.), что имеет большую актуальность, так как антенны, как правило, устанавливаются вне помещений или на поверхности движущихся объектов [21]. С другой стороны, так как укрытия располагаются в непосредственной близости от излучающих элементов, они могут быть использованы для оптимизации параметров антенн.

В диссертации поставленные выше вопросы рассматриваются при исследовании характеристик сферической резонаторной антенны и её модификации - полусферической антенны над экраном, сферической антенны с двумя кольцевыми щелями и сферической антенны с многослойной оболочкой из различных материалов.

Первое решение задачи об излучении кольцевой щели на сфере было опубликовано Стреттоном и Чу более 70 лет назад [22]. На результаты этой работы в своих монографиях ссылались многие ученые [23, 24]. Позднее появился еще ряд публикаций, развивающих эту тему [25 - 30]. Среди них можно выделить статью Мушиаки и Вебстера [28], в которой приведено решение внешней задачи при различном способе возбуждения и положении кольцевого резонатора, а также получены первые практические результаты. Необходимо отметить и работу Лиина и Чена [31], где было рассмотрено влияние плазменной оболочки на характеристики сферической антенны.

В настоящее время теоретические и практические исследования характеристик сферических резонаторных антенн активно продолжаются, так как данный тип излучателей имеет значительный потенциал по оптимизации характеристик, что отмечается в публикациях К.Леунга [32-34], Г.Стюарта и А. Пидвербетски [35], С.Беста [36] и некоторых других

работах [37, 38]. Так, Стюарту и Пидвербетски удалось получить результаты для добротности сферической антенны с оболочкой из материала с отрицательным значением диэлектрической проницаемости в полтора раза превосходящие предел Чу-Харрингтона.

Однако до настоящего времени не было опубликовано универсального решения внутренней и внешней задачи для сферической антенны, при произвольной ширине щели и её положении на сфере и при наличии многослойной оболочки. Также не была проведена в полной мере оценка возможных методов уменьшения электрических размеров антенны.

Целью настоящей диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование характеристик сферической резонаторно-щелевой антенны и её модификаций, оценка возможности получения на их базе антенны малых электрических размеров в частности при применении в конструкции антенны метаматериалов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Уточнить модель излучателя, предложенную Стреттоном и Чу и получить полное решение как внешней, так и внутренней электродинамической задачи для сферической антенны.

2. Установить механизм трансформации возбуждающего тока из точек питания антенны через резонатор и излучающую щель на поверхности сферы во внешнее пространство.

3. Получить решение антенной задачи с учетом многослойного укрытия.

4. Получить расчетные формулы и численные результаты для электрических характеристик сферической антенны и её модификаций.

5. Исследовать методы уменьшения электрических размеров сферической антенны с условием сохранения эффективности излучения, в том числе при использовании в конструкции метаматериалов.

6. Создать макет антенны и исследовать его характеристики.

Решение сформулированных выше задач определило структуру диссертации, при этом были использованы следующие методы:

• метод частичных областей - эквивалентных токов;

• метод тензорных функций Грина;

• вариационное представление характеристик антенны, в частности проводимости излучения и входного сопротивления.

Также использовались длинноволновая и коротковолновая асимптотики специальных функций, применяемых для описания поля внутри резонатора и во внешней области, в частности, асимптотика функций Бесселя-Рикоти.

В первой главе диссертационной работы описывается постановка задачи об излучении кольцевой щели на сфере, а также приведен анализ существующих решений.

Во второй главе диссертационной работы приводится решение задачи об излучении кольцевой щели на сфере с использованием метода тензорной функции Грина, в том числе при наличии многослойной оболочки. Также приведены решения для кольцевой щели на полусфере над экраном и двух кольцевых щелей на сфере. В полученных решениях учитывается ширина щели и её положение на сфере.

В третьей главе диссертационной работы приводится решение внутренней задачи для сферической антенны. Определяются импедансные характеристики устройства возбуждения, состоящего из линии питания, радиального резонатора и возбуждающей щели. Анализируются возможные пути уменьшения электрических размеров антенны. Приводятся асимптотические формулы для составляющих входного сопротивления антенны.

В четвертой главе диссертационной работы приведены численные результаты расчета полного входного сопротивления сферической антенны. Рассматриваются варианты использования диэлектриков в конструкции антенны с целью уменьшения электрических размеров излучателя и

улучшения согласования с линией питания. Анализируются результаты моделирования в среде Ansoft HFSS и экспериментальные данные, полученные при исследовании макета.

В пятой главе диссертационной работы исследуется возможность использования метаматериалов для уменьшения электрических размеров антенны. Рассматриваются основные свойства метаматериалов, варианты конструктивного исполнения и примеры их использования в антенной технике. Приводятся численные результаты расчетов параметров сферической антенны и её модификаций в случае использования в конструкции метаматериалов. Определяются типы и параметры метаматериалов, позволяющие добиться наиболее существенного улучшения характеристик антенны.

В заключении приведена общая характеристика работы и сформулированы основные результаты. Характеризуются научная новизна, практическая значимость, достоверность и обоснованность результатов работы.

На защиту выносятся:

1. Электродинамическая модель антенны, содержащая линию питания, резонатор, излучающую щель на проводящей сфере или полусфере над экраном, в том числе с многослойным укрытием, учитывающая ширину щели и её положение на сфере.

2. Интегральные уравнения, позволяющие определить эквивалентные характеристики устройства: собственное сопротивление штыря, коэффициент трансформации между штырем и щелью, внутреннюю и внешнюю проводимость кольцевой щели с учетом многослойного укрытия, полученные на основе использования условий непрерывности векторов электромагнитного поля.

3. Решение интегральных уравнений с использованием вариационного метода, позволившее получить численные результаты для характеристик резонаторно-щелевой антенны и её модификаций,

11

подтвержденные при проведении экспериментального исследования макета антенны

4. Методика уменьшения электрических размеров антенны с использованием в конструкции диэлектриков и метаматериалов.

1 Решение задачи об излучении кольцевой щели на сфере

1.1 Классическое решение Стреттона и Чу

Решение задачи об излучении кольцевой щели на сфере, опубликованное более семидесяти лет назад Стреттоном и Чу [22] является одним из первых строгих электродинамических расчетов источника электромагнитного излучения. На результаты этой работы в своих монографиях ссылались многие ученые [23,24].

В работе находится закон распределения тока на поверхности сферы путем решения граничной задачи электродинамики при заданных условиях на поверхности источника.

Излучатель располагается в сферической системе координат (рис. 1.1) и состоит из двух проводящих сферических сегментов радиусом а, разделенных малым промежутком с угловым раскрывом 2 А (рис. 1.2).

Рис. 1.1 Сферическая система координат Центр сферы совпадает с началом координат, угол 90 определяет

о

положение щели на сфере (при экваториальном положении щели 90 = 90 ).

Указанный зазор образует радиальный резонатор, при симметричном возбуждении которого сторонний магнитный ток может полагаться постоянным вдоль щели (нулевая азимутальная вариация тока). В этом случае силовые линии вектора сторонней напряженности поля в пределах

заданного малого промежутка будут совпадать с меридиональными линиями на поверхности сферы.

Рис.1.2 Расположение кольцевой щели на сфере

Так как высота радиального резонатора небольшая, то распределение поля в меридиональном направлении можно полагать постоянным. Сторонний ток возбуждает электромагнитное поле во внешней области и вблизи поверхности проводящей сферы. Ток на поверхности сферы определяется азимутальной составляющей напряженности магнитного поля при г-а. Тогда на поверхности сферы граничные условия запишутся в виде [23]:

О при г = а;0<9< — - А;— + Д<0<7е; 2 2

Ев (9) при г = д;^-А<9<^- + А;0<ср< 2л;

(1.1)

где Ее - составляющая вектора Е, касательная к граничной поверхности; £0 (9) - функция, характеризующая распределение сторонней напряженности поля в зазоре.

Уравнения Максвелла в сферической системе координат при условии д/Эф = 0 (так как искомое электромагнитное поле не зависит от угла ф) запишутся в виде:

_1__д_

г sin 9 дв

(ff(psin6) = icdsEr,

(1.2)

(г#ф) = коег£0

При подстановке в первое уравнение значений Ег и , найденных из второго и третьего уравнений получается дифференциальное уравнение для

неизвестной составляющей Нт:

d¿

дГ

■К)

+

г2 ае

_L__д_

sineae'

(гЯф sinG) + £2(гЯф) = 0. (1.3)

Решение уравнения (1.3) записывается в виде:

(1.4)

где Р1(х) - присоединенные функции Лежандра первого рода п - ой степени

(2)

первого порядка, Ь^у2(х) - сферическая функция Ханкеля второго рода

полуцелого порядка.

Учитывая систему уравнений (1.2), записываются выражения для остальных компонентов поля:

Д,

Ес

_Bnpln (cose)

.3/2

mzr

(1.5)

1+1/2 V-OW л0' ""л-1/2 W

ffV У cos9P„' cos9)-/-l,(cose)

zcosr 7 smO L

Электромагнитное поле типа (1.5) не удовлетворяет граничным условиям (1.1) при г = Чтобы удовлетворить требуемым условиям, строится общее решение системы (1.2), представляющее собой суперпозицию всех частных решений типа (1.5) при п = 1,2,3...:

1 00

ЯФ=-rLBnPXn (cose)^ (V),

1 00

Eq - —шЪВпР1 (cose)/i• h% (k0r) - k0r ■ h% (V), (1-6)

l(ÚEr 1 n=l ' '

1 00

= -~-шЪВпП■ h%2(V) cose^1 (cose)-Pln+l(cose)

msr3/2 n=l

Граничные условия (1.1) перепишутся в виде:

п

sin 6

1

zcos а

3/2 ЁBnpl (cosG)[^2 • hf}y2 (k0a) - к0а ■ h$l/2 (k0a)

n=1

= F(e) =

О при 0 < 9 < —- A;—+ A < 6 < tu; 2 2

^е(е)при|-А<е<| + А.

(1.7)

Неизвестные коэффициенты Вп (п = 1,2,...) определяются путем разложения кусочно-непрерывной функции ^(6) в ряд по присоединенным функциям Лежандра:

(1.8)

и=1

где

2п + \

2п + \

п/2+А

Mn + l)¿ 2п(П + 1)п/2-А

Функция jEq (9) неизвестна, однако в случае малого зазора (А«:А,0)

можно полагать, что непрерывные функции Рхп (cosG) и sin6 на интервале

71 Л ^ л ^ 71 А

А < е < — + А изменяются незначительно.

2

2

Тогда

С„

Tt/2+А

Í

гс/2-.

2и + 1

(1.9)

7Г/2+Д

где У = а | £0(6)^6 - известная комплексная амплитуда сторонней э.д.с.,

л/2-Д

приложенной к зазору.

Из уравнений (1.7) и (1.8) следует выражение для коэффициентов Вп:

в =_тъСпа12_

П • И%2 (к0а) ~ к0а ' 4-1/2 (к0а)

Система уравнений (1.7) в совокупности с (1.10) полностью определяют электромагнитное поле, возбуждаемое кольцевой щелью на сфере в пространстве.

Закон распределения поверхностной плотности электрического тока на поверхности сферы находится из соотношения

7=яхй|г=а,

где п - орт нормали к заданной поверхности,

/е = | г=а •

Общий ток на сфере

/ (0) = 2тш вт 9/'е = -2тш БШ 0//ф | г=а. (1.11)

Комплексная амплитуда тока, текущего в щели (при 90 = тс/2 ),

со . .

Ли =-/(в)е=я/2 =2па^Р1^)вЖ112{Ка). (1.12)

и=1

Внешняя проводимость Гвн излучателя определяется как отношение тока /вн к приложенной э.д.с:

I- оо

где 7И - модальная проводимость

т(2п +1) 2

П 1/2 {Ка)

- активная составляющая модальной проводимости; Вп - её реактивная составляющая, - характеристическое сопротивление свободного

пространства.

1.2 Численные результаты

Из выражения (1.13) следует, что внешняя проводимость излучателя равна проводимости бесконечного множества параллельно соединенных двухполюсников, причем каждый из них имеет модальную проводимость Уп.

оо

Численный анализ показывает, что ряд 1трасходится, что является

п=1

следствием допущения о том, что щель имеет бесконечно малую ширину. В этом случае реактивная составляющая внешней проводимости должна принимать бесконечно большое значение. Если же стороннее поле приложено на промежутке конечных размеров, то реактивная составляющая будет иметь конечное значение.

На рис. 1.3 а и б изображены графики изменения активной Оп и реактивной Вп частей модальной проводимости в зависимости от величины к0а при п = 1,3,5,...

На рис. 1.4 приведены кривые изменения внешней проводимости, её активной и реактивной составляющих в зависимости от величины к0а (го=120% Ом и п = 1,2,3,...,19) [23].

Из рисунков видно, при (к0а«1) проводимость излучателя определяется в основном реактивной составляющей и имеет емкостной характер при любой частоте возбуждающего поля.

Вп,С м

0,016

0,012

0,008

0,004

0,016

0,012

0,008

0,004

0 1 2 3 4 5 6 а)

к0а

к0а

2 3 4 5 6 7 б)

Рис.1.3 Модальные проводимости кольцевой щели на сфере: а - активная составляющая; б - реактивная составляющая

Ут,вт,Вт, См

0,08 0,07 0,06

0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

^вн

ч„

/ у

и

0 1 2 3 4 5 6

Рис. 1.4 Внешняя проводимость кольцевой щели на сфере

Осциллирующий вид графиков объясняется характером взаимодействия токов, текущих по металлической части сферы.

Выводы по главе 1

Рассмотренное выше решение задачи излучения кольцевой щели на сфере методом сшивания полей на границе раздела областей, полученное Стреттоном и Чу, позволяет найти распределение тока по поверхности сферы и внешнюю проводимость излучателя при бесконечно малом размере зазора (Д«А,0).

Примененный подход, для того, чтобы использоваться на практике, требует некоторых уточнений. Во-первых, необходимо получить значения внешней проводимости и исследовать сходимость ряда (1.13) при конечной ширине щели, так как в этом случае реактивная энергия, запасенная во внешней области, становится ограниченной, что позволит рассчитать реактивную часть проводимости щели. Во-вторых, необходимо определить электрические характеристики резонатора для нахождения полного входного сопротивления, чтобы перейти от задачи об излучении щели к антенной задаче со всеми её характеристиками. Так же было бы интересно учесть возможность применения диэлектрического укрытия излучателя и рассмотреть зависимость характеристик от положения щели на сфере и параметров внутреннего заполнения резонатора.

2 Метод тензорной функции Грина при решении задачи об излучении кольцевой щели на сфере. Многослойное укрытие излучающей щели.

2.1 Тензоры Грина

Как было отмечено выше, для определения реактивной части внешней проводимости излучения необходимо получить решение, учитывающее ширину из лу чающей щели. С этой целью можно использовать универсальный способ решения задач электромагнитного возбуждения -метод тензорных функций Грина [39].

В данном разделе рассмотрено решение задачи об излучении кольцевой щели на сфере, геометрия которой представлена на рис. 1.2, с использованием тензоров Грина.

Объемная плотность стороннего магнитного тока в щели задана следующим образом:

гм

= —8(г'-а)-аф,,-тг/2-А<0'<7г/2 +А, 0<ф'<2тг, (2.1)

где г' - радиус-вектор точки источника в сферической системе координат;

Iм - амплитуда стороннего тока, 5(г'-а) - дельта-функция, а < -

азимутальный единичный вектор сферической системы координат.

Решение уравнений Максвелла для магнитного поля может быть записано в виде интеграла от заданного распределения стороннего магнитного тока [40], ядром этого функционала является тензорная функция Грина:

Н(г) = Н(г,0,ф)= ]Т22(г,г')Г(г')^', (2.2)

к

где г - радиус-вектор точки наблюдения в сферической системе координат; Г22(г,г') - тензор Грина магнитных токов, V - объем распределения стороннего тока.

Чтобы получить выражение для напряженности магнитного поля во внешней области, нужно проинтегрировать поверхностный магнитный ток по поверхности апертуры щели с компонентой тензорной функции Грина Г22.фф.

^22-фф " скалярная компонента, которая определяет ф-ю составляющую напряженности магнитного поля, порождаемую ср -ой составлющей магнитного тока.

Тензор функции Грина в данном случае определяется так [41]:

часть функции Грина, г< означает г при г<г' и г' при г>г' (соответственно

Бесселя первого рода, пп{к$а) - сферическая функция Бесселя второго рода

(функция Неймана), /п(к0а),п'п{к0а) - производные указанных функций;

к'п(к0а) - производная сферической функции Ханкеля порядка п,

нормировка сферических функций Бесселя выбирается так, чтобы вронскиан удовлетворял условию:

п,т

г> означает г при г>г' и г' при г<г'), ]п(к0а) - сферическая функция

(0,ф) = Рпт(сО80)^, X?(0>') = рпт(соввУ"*',

о

О

О

1 а е

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Князев, Николай Сергеевич

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия - 2004» (г. Екатеринбург, 2004); VII и IX

116

Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2008; г. Челябинск, 2010); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2009» в рамках бго Международного форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2009» (г. Екатеринбург, 2009); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2010» в рамках 7го Международного форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2010» (г. Екатеринбург, 2010); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2011» в рамках 8го Международного форума «СВЯЗЬ-ПРОМЭКСПО 2011» - работа отмечена золотой медалью (г. Екатеринбург, 2011); Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2011); Международной конференции 3rd European Conference on Antennas and Propagation - EuCAP 2009 (г. Берлин, Германия); Международной конференции 5rd European Conference on Antennas and Propagation - EuCAP 2011 (г. Рим, Италия).

По материалам диссертационной работы имеется 11 публикаций, в том числе: 2 статьи в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 публикации в сборниках трудов зарубежных конференций.

Заключение

В настоящей работе получено собственное универсальное решение внутренней и внешней задачи для сферической антенны при произвольной ширине щели и её положении на сфере, исследованы характеристики антенны при наличии многослойной оболочки. Проведена оценка возможных методов уменьшения электрических размеров антенны, в том числе при использовании в конструкции метаматериалов. Универсальный подход к расчету характеристик антенной системы излучатель - возбуждающее устройство снимает ряд вопросов, не решенных авторами в более ранних публикациях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Князев, Николай Сергеевич, 2012 год

Список литературы:

1. Wheeler Н.А., «Fundamental limitations of small antennas», Proc. IRE, vol. 35, pp. 1479-1484, 1947.

2. Слюсар В.И. 60 лет теории электрически малых антенн. Некоторые итоги.//Электроника: НТБ, 2006, № 7.

3. Balanis С.A., Antenna Theory, 3rd ed. New York: Wiley, 2005, pp.637641.

4. Chu L.J., «Physical limitations on omni-directional antennas», J. Appl. Phys., vol. 19, pp. 1163-1175, 1948.

5. Harrington R.F. Effect of Antenna Size on Gain, Bandwidth, and Efficiency. -J. Res. Nat. Bur. Stand., Jan/Feb 1960, V.64-D, p. 1-12.

6. Collin R.E., Rothschild S.. Evaluation of Antenna Q.-IEEE Trans. Ant. Prop., Jan. 1964, v. AP-12, p.23-27.

7. Caswell E.D., Davis W.A., Stutzman W.L. Fundamental Limits on Antenna Size - Submitted to IEEE Trans. Ant. Prop.., April 2000.

8. Grimes D. M., Grimes C. A.. Radiation Q of dipole-generated fields-Radio Science, March-April 1999, v.34, N2,. p.281-296.

9. Adams R. C., Hansen P. M. Evaluation of "Q" in an Electrically Small Antenna in Prolate Spheroidal Coordinates. Technical Document 3188. - Space and Naval Warfare Systems Center U.S. Navy. San Diego. Sept. 2004, 32 p.

10. Слюсар В.И. Антенны PIFA для мобильных средств связи: многообразие конструкций. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2007, № 1.

11. Kin-Lu Wong. Planar Antennas for Wireless Communications. - New York, Wiley-Interscience. 2003, 301 p.

12. Taga, T. Tsunekawa, K., Saski, A., "Antennas for Detachable Mobile Radio Units," Review of the ECL, NTT, Japan, Vol. 35, No.l, January 1987, pp. 59-65.

13. Liu Z.D., Hal P.S., Wake D. Dual Frequency Planar Inverted-F Antenna. - IEEE Trans. Ant. Prop.. Oct. 1997, v.45, N 10, p. 1451-1457.

14. Long S.A., McAllister M.W., and Chen L.C. The Resonant Cylindrical Dielectric Cavity Antenna.- IEEE Trans. Ant. Prop.. May 1983, AP-31, p. 406412.

15. Karonis G.J., Kaklamani D.I., Uzunoglu N.K. Accurate Analysis of a Cylindrical Dielectric Resonator Mounted on a Grounded Dielectric Substrate. -Progress in Electromagnetics Research, 1999, p. 187-219.

16. Ziolkowski R.W. and KippleA.D., "Application of double negative materials to increase the power radiated by electrically small antennas", IEEE Trans. Ant. Prop., vol. 51, pp. 2626-2640, 2003.

17. Engheta N. and Ziolkowski R.W., "A Positive Future for DoubleNegative Metamaterials", IEEE Trans, on microwave theory and techniques, vol. 53, no. 4, pp. 1535-1555,2005.

18. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations/Edited by N. Engheta and R. W. Ziolkowski. - Wiley-IEEE Press, 2006.

19. Панченко Б. А., Гизатуллин М.Г. Нано-антенны. М.: «Радиотехника», 2010, 96 с.

20. Антенны СВЧ с диэлектрическими покрытиями / В.Н. Красюк JI.: Судостроение, 1986. 164 с.

21. Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ /В.А. Каплун. М.: Сов. радио, 1974. 240 с.

22. Stratton J. A., Chu L. J. Steady-state solutions of electromagnetic field problems // J. AppZ. Phys., March, 1941, vol. 12, pp. 230-248.

23. Гольдштейн JI. Д., Зернов H. А. Электромагнитные поля и волны. М.: Сов. радио, 1971.-664 с.

24. Слэтер Дж. Передача ультракоротких волн: Пер. с англ./ Под ред. С.Д. Гвоздовер. - М.: ОГИЗ, 1947. - 344 с.

25. Bailin L. L. and Silver S. Exterior Electromagnetic Boundary Value Problems for Spheres and Cones, Tech. Memo. No. 305, Hughes Aircraft Co. Res. and Dev. Labs., Culver City, Calif.; July,1953.

26. Tai C. T. Some Electromagnetic Problems Involving a Sphere, Tech. Rep. No. 41, S. R. I. Project KO. 591, Aircraft Radiation System Lab., Stanford Res. Inst., Stanford, Calif.; April, 1953.

27. P. R. Karr, "Radiation properties of spherical antennas as a function of the location of the driving force," J. Res. Natl. Bur. Stand., vol. 46, pp. 422^36, 1951.

28. Y. Mushiake and R. E. Webster, "Radiation characteristics with power gain for slots on a sphere," IRE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-5,pp. 47-55, Jan. 1957.

29. V. V. Liepa and T. B. A. Senior, "Modification to the scattering behavior of a sphere by reactive loading," Proc. IEEE, pp. 1004-1011, Aug. 1965.

30. M. Gastine, L. Courtois, and J. Dormann, "Electromagnetic resonances of free dielectric spheres," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.15, pp. 694700, 1967.

31. C. C. Lin and K. M. Chen, "Improved radiation from a spherical antenna by overdense plasma coating," IEEE Trans. Ant. Prop., vol. 17, pp. 675-678, Sept. 1969.

32. K.W. Leung, "Theory and experiment of a rectangular slot on a sphere," IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 46, pp. 2117-2123, Dec.1998.

33. K.W. Leung and K. Y. Chow, "Theory and experiment of the hemispherical cavity-backed slot antenna," IEEE Trans. Ant. Prop., vol. 46, pp. 1234-1241, Aug. 1998.

34. K.W. Leung, "Rectangular and Zonal Slots on a Sphere With a Backing Shell: Theory and Experiment", IEEE Trans. Ant. Prop., vol. 51, pp. 1434-1442, July. 2003.

35. H.R. Stuart and A. Pidwerbetsky, "Electrically small antenna elements using negative permittivity resonators," IEEE Trans. Ant. Prop., vol. 54, pp. 16441653,2006.

36. S.R. Best, "The radiation properties of electrically small folded spherical helix antennas," IEEE Trans. Ant. Prop., vol. 52, pp. 953-960, 2004.

37. H.R. Stuart, "An electromagnetic comparison of the tapered spherical helix and the negative permittivity sphere," in IEEE Int. Symp. on Antennas and Propagation, Honolulu, HI, pp. 3472 - 3475, 2007.

38. Krairiksh M et al. A Steerable Spherical Slot Array Antenna, ScienceAsia vol.25, pp. 231-236, 1999.

39. Панченко Б.А., Князев C.T. и др. Электродинамический расчет характеристик излучения полосковых антенн. М.: «Радио и связь», 2002, 256 с.

40. Панченко Б. А., Гизатуллин М.Г. Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах. Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО "СибГУТИ", 2007. 88 с.

41. Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г.. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. - 117 с.

42. Справочник по специальным функциям / Пер. с англ.; под ред. М. Абрамовича и И. Стиган. М.: Наука, 1979. 832 с.

43. Harrington R. F. Time-harmonic electromagnetic fields. New York: McGraw-Hill book company, 1961. 568 p.

44. Фелсен Д., Маркувиц H. Излучение и рассеяние волн. Т. 1. / Пер. с англ. М.: Мир, 1978, 547 с.

45. Конструирование и расчет полосковых устройств / под ред. И.С. Ковалева - М.: «Советское радио», 1974, 296 с.

46. Машковцев Б.М., Цибизов К.Н., Емелин Б.Ф.Теория волноводов. М.-Л.: Наука, 1966. 352 с.

47. Князев С.Т., Панченко Б.А., Князев Н.С., «Импедансные характеристики кольцевых антенн с радиальными резонаторами», Вестник УГТУ-УПИ, №18 (71), Екатеринбург, 2005, с. 157-164.

48. Панченко Б.А. Тензорные функции Грина уравнений Максвелла для цилиндрических областей / Б.А. Панченко // Радиотехника. Харьков: Издание ХГУ, 1970. Вып. 15. С. 82-89.

49. Trevor S. Bird, "Definition and Misuse of Return Loss", IEEE Antennas & Propagation Magazine, vol.51, iss.2, pp. 166-167, April 2009.

50. Банков C.E., Курушин A.A. Расчет антенн и СВЧ структур с помощью HFSS Ansoft - М, ЗАО «НПП «РОДНИК», 2009, 256 с.

51. . Банков С.Е., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств и антенн с Ansoft HFSS - М, ЗАО «НПП «РОДНИК», 2009, 736 с.

52 Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и ji. - Успехи физических наук, 1967,т.92, №7, с. 517-526.

53. Arthur Schuster. An Introduction to the Theory of Optics. - Edward Arnold, London, 1904, p. 313-318.

54. M. Laue. Die Fortpflanzung der Strahlung in dispergierenden und absorbierenden Medien. - Ann. Phys., 1905, 18, p. 551.

55. H.C. Pocklington. Growth of a wave-group when the group velocity is negative. - Nature, vol.71, 1905, p. 607-608.

56. Мандельштам Jl.И. Лекции по некоторым вопросам теории колебаний (1944 г.). Четвертая лекция/ В кн.: Мандельштам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механики. - М.: Наука, 1972, с. 431-437.

57. Малюжинец Т.Д. -ЖТФ, 1951, т.21, вып. 8, с. 940-942.

58. Силин Р.А. Волноводные свойства двумерно периодических замедляющих систем. - Вопросы радиоэлектроники. Сер.1. Электроника, 1959, вып.4, с. 11— 33.

59. J.B. Pendry et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. - IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 47, №11, 1999, p.2075-2084.

60. Victor Veselago, Leonid Braginsky, Valery Shklover and Christian Hafner. Negative Refractive Index Materials. - Journal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2006, Vol. 3, p. 1-30.

61. R.A. Shelby, D.R. Smith, S. Schultz. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction. - Science, 6 April 2001, Vol. 292, No. 5514, p. 7779.

62. Christine T. Chevalier, Jeffrey D. Wilson. Frequency Bandwidth Optimization of Left-Handed Metamaterial. - NASA/TM-2004-213403, November 2004.

63. R.A.Shelby, D.R.Smith, S.C.Nemat-Nasser and S.Schultz. Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial. -Appl. Phys. Lett., 22 January 2001, vol. 78, p. 489-491.

64. D.R. Smith et al. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity - Physical Review Letters, Vol. 84, N 18, 1 May 2000, p. 4184-4187.

65. USA Patent № 6791432B2.

66. Слюсар В. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, №.7, с. 70-79.

67. Слюсар В. Метаматериалы в конструкциях антенн. -ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2009, №.8, с. 66-70.

68. Richard W. Ziolkowski, Aycan Erentok. Metamaterial-Based Efficient Electrically Small Antennas. - IEEE Trans. Ant. Prop., Vol. 54, No. 7, July 2006, p.2113-2130.

69. A.Semichaevsky and A. Akyurtlu. Homogenization of Metamaterial-Loaded Substrates and Superstrates for Antennas, - Progress In Electromagnetics Research, N 71, 2007, p. 129-147.

70. M.-F. Wu et. al. Miniaturization of a Patch Antenna with Dispersive Double Negative Medium Substrates. - APMC2005 Proceedings.

71. US Patent Application No. 2008/0258993. Oct. 23, 2008.

72. US Patent Application No. 2008/0048917. Feb. 28, 2008.

73. Миттра P. Критический взгляд на метаматериалы. - Радиотехника и электроника, 2007, том 52, № 9, с. 1051-1058.

74. Пахотин В.А. Излучение электрически короткой антенны из ограниченного объема газоразрядной плазмы. - Письма в ЖТФ, 2007, том 33, вып. 8, с. 22-29.

75. Дж. Джексон. Классическая электродинамика / Пер. с англ. Г.В. Воскресенского и Л.С. Соловьева. — М.: Мир, 1965, с. 254—255.

76. John Brown. Artificial dielectrics having refractive indices less than unity. - Proc. Inst. Elect. Eng (London), May 1953, Part IV, vol. 100, Monograph No. 62R, p. 51-62.

77. Hou-Tong Chen et al. Active terahertz metamaterial devices. - Nature, Vol. 444, 30 November 2006, p. 597-600.

78. Щелкунов С., Фриис Г. Антенны (Теория и практика). Пер. с англ. -М.: Советское радио, 1955.

79. J.B. Pendry et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. - IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1999, № 47, p. 2075-2081.

80. M.V. Kostin, V.V. Shevchenko. Artificial magnetics based on double circular elements/Proc. of Bianisotropics'94. - Perigueux. France, May 18-20, 1994, p. 49-56.

81. Patel, Neil. Theory, Simulation, Fabrication and Testing of Double Negative and Epsilon Near Zero Metamaterials for Microwave Applications/ Master's Thesis in Electrical Engineering. - California Polytechnic State University, June 2008.

82. Tretyakov S.A. and many colleagues. Research on negative refraction and backward-wave media: A historical perspective. - Radio Laboratory / SMARAD Helsinki University of Technology, 2005.

83. Shelby A., Smith D.R., and Schultz S., «Experimental verification of a negative index of refraction», Science, vol. 292, pp. 77-79, Apr. 2001.

84. Christine T. Chevalier, Jeffrey D. Wilson. Frequency Bandwidth Optimization of Left-Handed Metamaterial. - NASA/TM-2004-213403, November 2004.

85. R.A.Shelby, D.R.Smith, S.C.Nemat-Nasser and S.Schultz. Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial. -Appl. Phys. Lett., 22 January 2001, vol. 78, p. 489-491.