Электрически малые излучатели антенн с использованием импедансносогласованных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Годин Андрей Сергеевич

• Годин Андрей Сергеевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Годин Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 Обзор работ по электрически малым антеннам

1.1 Введение

1.2 Основные ограничения на параметры электрически малых антенн

1.3 Электрические и магнитные петли и диполи

1.4 Монополь зигзаг-меандр Вонга-Кинга

1.5 Спирали Беста

1.6 Вибраторы петлевые и монополи сложенные

1.7 Гоубау антенна

1.8 Антенны из патча

1.9 Слив и пиф антенны

1.10 Петлевые антенны

1.11 Векторный сенсор

1.12 Диэлектрические резонаторные антенны

1.13 Обмоточная тороидальная спиральная антенна

1.14 Антенны на основе линий передачи

1.15 Гало рамочная, хула обручная и ДДРР антенны

1.16 Нагруженные антенны с диэлектриками

1.17 Меандровые антенны

1.18 Крестовый монополь

1.19 Скрещенно-полевые антенны

1.20 Диполь снайдера

1.21 Антенна сдвоенная петля

1.22 Многоплечевой диполь

1.23 Комплиментарная парная антенна

1.24 Интегрированная антенна

1.25 Антенна в оболочке среды Веселаго

1.26 Фрактальные антенны

1.27 Чип-антенны

1.28 Случайно сегментированные антенны

1.29 Множественные мультиполи

1.30 Антенны на основе переключаемых петель

1.31 Антенна Тала

1.32 Антенна Густафссона

1.33 Работы по ЭМА в России

1.34 Использование импедансносогласованных материалов для построения электрически малых антенн

1.35 Выводы

2 Описание метода уменьшения рабочей частоты излучателей с помощью применения импедансносогласованных материалов

2.1 Введение

2.2 Метод синтеза электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных материалов

2.3 Численное электродинамическое моделирование волноводного щелевого излучателя, рабочая частота которого уменьшена в 10 раз

2.4 Выводы

3 Метод синтеза электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов при заданном коэффициенте усиления

3.1 Введение

3.2 Полное описание метода синтеза электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных с вакуумом

3.3 Выводы

4 Автоматизированный программно-аппаратный комплекс для измерений диаграмм направленностей ЭМА. Результаты измерений и сравнения с расчетами характеристик «излучателя Година»

4.1 Введение

4.2 Состав автоматизированного комплекса для измерения антенных характеристик

4.3 Сравнение экспериментально измеренных и рассчитанных частотных характеристик, и диаграмм направленностей щелевой антенны и «излучателя Година»

4.4 Сравнение экспериментальных характеристик коэффициента усиления «излучателя Година» и исходной щелевой антенны и их сравнение с теоретическими пределами для коэффициента усиления

4.5 Выводы

Заключение

Список литературы

113

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электрически малые излучатели антенн с использованием импедансносогласованных материалов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время современные мобильные телекоммуникационные устройства такие как смартфоны, планшеты, ноутбуки и т.п. в их состав входит антенны различных диапазонов волн: LTE, 3G, GSM, Wi-Fi, Bluetooth, Глонасс-GPS. Современные радиолокационные системы в состав которых входит антенное полотно с большим количеством антенных излучателей, системы автокомпенсации активных помех, антенны передачи информации и команд управления, для всех этих устройств требуется обеспечивать заданный уровень развязки между различными каналами передачи информации и управления. В антенных решетках пытаются разместить, в рамках одного приемопередающего полотна, передачу и прием сигналов разных частотных диапазонов. Для чего необходимо решить задачу уменьшения связи между излучателями в антенной решетке. Эту связь можно уменьшить, увеличивая электрическое расстояние между излучателями с помощью увеличения диэлектрической и магнитной проницаемостей материала, в который помещают излучатели антенного полотна. При этом для минимизации отражения электромагнитной волны от границы раздела материал-вакуум импеданс такого материала согласуют с импедансом вакуума. Все это и определяет актуальность создания электрически малых излучателей антенн с использованием импедансносогласованных материалов.

Термин импеданс среды был введён Щелкуновым (Schelkunoff S.A.). Вопрос о распространении понятия импеданса на электромагнитные поля также был рассмотрен Стрэттоном (Stratton J.A.). Он рассмотрел решение задачи о согласовании импедансов сред и показал, что для отсутствия отражения плоской волны от границы раздела двух сред, необходимо равенство волновых сопротивлений данных сред. Материалы, импеданс (волновое сопротивление) которых согласован с импедансом (волновым сопротивлением) вакуума, т.е. импедансносогласованные с вакуумом материалы применялись Буеллом (Buell K.) и Карилайненом (Karilainen A.) для увеличения рабочей длины волны уже

существующих излучателях антенн. Следует также отметить, что большая часть исследований по моделированию электрически малых антенн используют специальное программное обеспечение по расчету электромагнитных полей. За рубежом, работы по исследованию и разработкам электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных материалов проводятся на универсальных электродинамических программах уже более 10 лет. Именно поэтому для нашей страны является актуальной задачей электродинамического моделирования и разработки электрически малых излучателей антенн с использованием импедансносогласованных материалов.

Объект исследования. Антенные излучатели, включающие в свой состав импедансносогласованные с вакуумом материалы, для антенных систем навигации и связи.

Предмет исследования. Закономерности, методики, анализ и синтез излучателей антенн, включающие в свой состав импедансносогласованные с вакуумом материалы, для антенных систем навигации и связи.

Цель исследования заключается в разработке излучателя с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов для создания антенных систем с минимальным габаритным размером и заданным электрическим характеристикам для решения задач навигации и связи.

Научная проблема. Разработка электрически малого излучателя антенн с использованием импедансносогласованного с вакуумом материала с предельно достижимым значением коэффициента усиления для заданного габарита.

Научные задачи.

1. Проведение численного моделирования электрически малых излучателей антенн с применением импедансносогласованных материалов.

2. Разработка метода синтеза электрически малых излучателей антенн с применением импедансносогласованных с вакуумом материалов.

3. Разработка автоматизированного программно-аппаратного комплекса для измерений диаграмм направленностей электрически малых антенн.

4. Разработка электрически малого излучателя антенны с использованием импедансносогласованного с вакуумом материала.

5. Проведение измерений и сравнение с расчетными характеристиками электрически малого излучателя антенны с использованием импедансносогласованного с вакуумом материала.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем:

1. Предложен излучатель с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов, обладающий двумя индукционными и двумя дальними зонами, в котором достигается предельное значение коэффициента усиления для заданного габарита, согласно критерию Чу.

2. Разработан метод увеличения рабочей длины волны существующих антенных излучателей с использованием импедансносогласованных материалов без изменений их геометрических размеров.

3. Разработан алгоритм управления процессом проведения и обработки результатов для измерений диаграмм направленностей электрически малых антенн, который позволил уменьшить стоимость программно-аппаратного комплекса.

Теоретическая значимость проведенного исследования заключается:

1. Разработан метод увеличения рабочей длины волны существующих антенных излучателей с использованием импедансносогласованных материалов.

2. Предложен излучатель с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов, обладающий двумя индукционными и двумя дальними зонами.

3. На универсальных электродинамических программах исследованы свойства представленного излучателя и оценены предельно возможные, по коэффициенту усиления, характеристики для заданных габаритов.

Практическая значимость проведенного исследования заключается:

1. Для произвольных излучателей путем помещения их в импедансносогласованный с вакуумом материал показана допустимость смещения на 25% рабочего диапазона частот в область длинноволнового диапазона.

2. Показана возможность достижения предельного значения коэффициента усиления для заданного габарита излучателя при использовании импедансносогласованного с вакуумом материала.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс для автоматизированного измерения диаграмм направленностей электрически малых антенн, который предоставляет нужную точность измерения антенных характеристик при уменьшении стоимости в 7 раз, по сравнению с существующими на рынке комплексами.

Метод исследования в диссертационной работе при рассмотрении электрически малых излучателей антенн с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов заключался в применении численного моделирования на современных электродинамических пакетах расчета, основанные на уравнениях Максвелла, и принципа электродинамического подобия.

Положения, выносимые на защиту:

1. Предельно достижимые для заданных габаритов излучателя согласно критерию Чу значения коэффициента усиления достигаются в излучателях с двумя индукционными и двумя дальними зонами, которые могут быть реализованы при использовании импедансносогласованных с вакуумом материалов.

2. Рабочая частота излучателя может быть уменьшена без изменения геометрии при использовании импедансносогласованных с вакуумом материалов.

3. Уменьшена в 7 раз по сравнению с существующими на рынке стоимость автоматизированного программно-аппаратного комплекса для мультичастотных измерений диаграмм направленностей электрически малых антенн при использовании системы позиционирования и разработанного программного обеспечения.

Соответствие паспорту специальности. Направление диссертационной работы заключается в разработке электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов и вносит вклад в следующие области исследований «Электроника, радиотехника и телекоммуникации», перечисленные в паспорте специальности НИУ ВШЭ «Инженерные науки и прикладная математика»:

1. Исследование явлений прохождения электромагнитных волн различных диапазонов частот через среды, их рассеяния и отражения (1 -е положение).

2. Исследование новых процессов и явлений, позволяющих повысить эффективность радиотехнических, электронных и телекоммуникационных устройств и систем (2-е положение).

3. Разработка радиотехнических, электронных и телекоммуникационных устройств и систем для использования их в промышленности, биологии, медицине, метрологии и других отраслях народного хозяйства, включая спутниковые системы (3-е положение).

Апробация. В процессе диссертационного исследования было получено два патента на полезную модель: «Излучатель Климова» (RU № 169311), «Излучатель Година» (RU № 170118). Результаты работы были представлены на следующих всероссийских и международных конференциях:

1. Конов К.И., Годин А.С. Комплекс для измерения диаграмм направленностей излучателей АФАР. // Сборник докладов I Международного симпозиума «Компьютерные измерительные технологии». 3 апреля 2015 г., Россия, Москва.

2. Годин А.С., Гежа Д.С., Дризе А.Д. Численное электродинамическое моделирование внутреннего куба Сестрорецкого. // Сборник трудов II Всероссийской объединенной научной конференции «Проблемы СВЧ электроники» и «Инновационные решения» Keysight Technologies», 26-28 октября, 2015 г., Россия, Москва.

3. Климов К.Н., Годин А.С., Круглов А.И., Цай А.Б. Численное электродинамическое моделирование куба Гюйгенса. Московский электродинамический семинар, 1 сентября 2015, ИРЭ РАН, Москва, Россия.

4. Годин А.С., Перфильев В.В., Дризе А.Д., Климов К.Н. Использование импедансносогласованного материала для измерения частотного диапазона излучателей. // Сборник трудов XXIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». В 3-х томах. 18-20 апреля 2017 г., Россия, Воронеж.

5. K.N. Klimov, I.K. Epaneshnikova, A.M. Belevtsev, A.S. Godin, A.D. Drize, Synthesis of structures of electric small-sized radiators using impedance matching materials for millimeter waves, SPIE Security + Defence, 11-14 September 2017, Warsaw, Poland.

6. Годин А.С., Степанов Е.И., Мацаян М.С., Климов К.Н. Электрически малые излучатели для перспективных систем РЛС. // Сборник трудов III Всероссийской научно-технической конференции им. В.А. Солнцева «Проблемы СВЧ электроники -2017». 8-9 ноября 2017 г., Россия, Москва.

7. Victor Perfilyev, Konstantin Klimov, Andrey Godin. Construction of distribution systems of multibeam active phased array antennas. // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT-2018). 14-16 March 2018, Moscow, Russia.

8. Годин А.С., Климов К.Н. Использование импедансносогласованных материалов для расширения полосы частот излучателей антенн. // Сборник трудов VII Всероссийская научно-техническая конференция по обмену опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем («СВЧ-2018»). 17-18 апреля 2018 г., Россия. Омск.

9. Godin A.S., Klimov K.N. Expansion of the band of operating frequencies for antenna radiators using impedance-matched materials. // International Scientific and Technical Conference «Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing

in Telecommunications» (SYNCHROINFO-2018). 4-5 July 2018. The Republic of Belarus, Minsk.

На предприятии АО «НПО «ЛЭМЗ» в практику проектирования и производства были внедрены основные результаты диссертационного исследования:

• спроектирован и изготовлен электрически малый излучатель с использованием импедансносогласованного с вакуумом материалом, измерены его электрические характеристики;

• разработан программно-аппаратный комплекс для автоматизированного измерения диаграмм направленностей электрически малых излучателей антенн.

По теме диссертационной работы, получены призовые места на следующих конкурсах:

• Лауреат премии правительства Москвы молодым ученым за 2018 год в области «Электроника и средства связи»;

• 1 место в XX городском конкурсе правительства Москвы профессионального мастерства «Московские мастера» по профессии инженер-электроник;

Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии в постановке задач исследования и их решении, создание метода увеличения рабочей длины волны существующих антенных излучателей с использованием импедансносогласованных материалов без изменений их геометрических размеров, которая позволила уменьшить рабочую частоту излучателя в 1.5 раза и достичь предельно достижимых, согласно критерию Чу, значений коэффициента усиления излучателей. Лично автором предложены и исследованы два новых объекта электродинамики: внешний куб Гюйгенса и внешний куб Сестрорецкого, которые позволяют оценить предельно достижимые параметры излучателей антенн заданных габаритов с помощью численного моделирования на универсальных электродинамических программах, что позволило определить

радиус шара (полушара) из импедансносогласованного материала для увеличения рабочей длины волны существующих излучателей. Годин А.С. алгоритм управления процессом проведения и обработки результатов для измерений диаграмм направленностей электрически малых антенн, который предоставляет нужную точность измерения антенных характеристик при уменьшении стоимости в 7 раз по сравнению с существующими на рынке комплексами. Лично автором и при участии автора подготовлены основные публикации по выполненной работе.

В рамках диссертационного исследования Годин А.С. как автор и соавтор получил два патента на полезную модель: № 169311, № 170118.

Достоверность полученных результатов в диссертационном исследовании подтверждается:

• численным моделированием на современных электродинамических пакетах расчета, основанных на уравнениях Максвелла;

• соответствием полученных результатов фундаментальным физическим принципам;

• проведением экспериментальных исследований.

Публикации.

В рамках диссертационной работы было опубликовано:

• 7 статей в журнале «Journal of Communications Technology and Electronics», который состоит в квартили журналов НИУ ВШЭ Web of Science и Scopus;

• 4 статьи в сборниках докладов IEEE, входящие в базы данных Web of Science и Scopus: 1 публикация в сборнике докладов «Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications» (SYNCHROINFO-2018); 1 публикация в сборнике докладов «Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies» (MWENT-2018) и 2 публикации в сборниках докладов «23rd International Crimean Conference Microwave & Telecommunication Technology» (CriMiCo 2013);

• 2 статьи в сборниках докладов SPIE Remote Sensing за 2017 и 2018 годы, входящие в базы данных Web of Science и Scopus.

Дополнительно опубликована статья в журнале «Вестник воздушно-космической обороны», входящий в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.

Получено два патента Российской Федерации на полезную модель:

• RU № 169311;

• RU № 170118.

Также опубликовано:

• 2 публикации в сборниках докладов Всероссийской конференции им. В.А. Солнцева «Проблемы СВЧ электроники»;

• 2 публикации в сборниках докладов Международной конференции «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии»;

• 1 публикация в сборнике докладов Международной конференции «Радиолокация, навигация, связь»;

• 1 публикация в сборнике докладов Международного симпозиума «Компьютерные измерительные технологии».

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.

В первой главе приведен обзор на литературу по различным конструкциям электрически малых антенн. В данном обзоре большинство предложенных электрически малых конструкций излучателей антенн не удается выполнить фундаментальные ограничения, накладываемые на параметры этих антенн. Наиболее близкими к фундаментальному ограничению Уилера-Чу-Маклина стоят антенны, предложенные Бестом, Талом, Густафсоном и Гоубау. Фундаментальные ограничения Уилера-Чу-Маклина, по мнению многих авторов, являются абсолютными. Представлен зарубежный опыт по разработке электрически малых излучателей антенн с помощью применения импедансносогласованных материалов. К сожалению, в России подобные материалы не производятся, и не

ведутся работы по созданию соответствующих электрически малых антенн. Поэтому работы в данном направлении в нашей стране являются весьма актуальными.

Во второй главе предложен метод по использованию импедансносогласованных с вакуумом материалов для уменьшения рабочей частоты существующих излучателей и построения на их основе электрически малых антенн. Верификация предложенного метода проводилась путем моделирования излучателей антенн на современном программном комплексе по расчету электромагнитных полей ANSYS Ю^. Результаты моделирования показали, что при использовании импедансносогласованных материалов возможно уменьшить рабочую частоту в 10 раз излучателя антенны, при этом не изменять его габаритных размеров. Ограничение накладываемыми на габариты антенны состоит в выборе радиуса шара (полушара) и в разработке материала для нужного диапазона частот.

В третьей главе дополнено описание метода синтеза электрически малых антенн для его применения при разработке реальных излучателей антенн. Из этого метода следует, что выбор радиуса шара (полушара) для антенного излучателя

должен выбираться не менее Я, на которой должен работать антенный

излучатель. Представляет собой интерес применить этот метод на реальной антенне и измерить на автоматизированном измерительном комплексе полученные частотные характеристики и диаграммы направленности.

В четвертой главе приведено описание разработанного алгоритма управления процессом проведения и обработки результатов для измерений диаграмм направленностей электрически малых антенн. Комплекс построен на основе позиционера WiNRADiO и программного обеспечения «Ташю ОЬ1». Приведены результаты численного электродинамического моделирования и экспериментально полученные характеристики КСВ и Ку волноводного щелевого

излучателя и «излучателя Година» на его основе. Рабочая частота «излучателя

Година» по сравнению с исходной щелевой антенной уменьшена в 1.5 раза с /0 до 0.66/0, при этом коэффициент усиления изготовленного излучателя практически совпадает с теоретическим пределом Чу, полученным для первой сферической гармоники.

В заключении диссертации изложены итоги выполненного исследования, рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы.

1 Обзор работ по электрически малым антеннам

1.1 Введение

Актуальность работ по созданию электрически малых антенн связано с необходимости миниатюризации антенн для перспективных систем связи, геодезии и радиолокации. Поскольку приемопередающие модули как бортовых, так и наземных систем связи различного назначения становятся все более миниатюрными, то именно поэтому уменьшение габаритов антенных систем является чрезвычайно актуальной задачей. Наибольшие трудности возникают при попытках уменьшения габаритов антенных излучателей, т.к. их размеры определяются длиной волны, на которой работает антенна.

Отметим, что электрически малые антенны имеют следующие особенности: низкое сопротивление излучения, большое реактивное сопротивление, низкий КПД, узкую ширину полосы рабочих частот, большие активные потери в цепи согласования.

В большинстве зарубежных публикаций рассмотрение важного для практического применения вопроса о проектировании электрически малых антенн начинается с работ Гарольда Уилера (Wheeler, H. А.).

Приведем ниже основные ограничения на параметры электрически малых антенн (ЭМА), а затем рассмотрим основные типа ЭМА, которые предлагают различные авторы [1, 2].

1.2 Основные ограничения на параметры электрически малых антенн

Ограничение на ширину полосы рабочих частот ЭМА было рассмотрено в работах Уилера (Wheeler, 1947) [3]. Уилер рассматривал цилиндрический объем с конденсаторными пластинами перпендикулярно к оси. В указанных работах, не выходя за общепринятые рамки, была получена простейшая теория реактивной проводимости, которая шунтирует проводимость излучения. Коэффициент

мощности излучения (КМИ) равен к ъа2 b /6, где а - радиус цилиндра, b - его

высота (к = 2п/ Я - волновое число). КМИ Уилера определяет ширину полосы рабочих частот излучателя. Тот же самый результат был получен Уилером при использовании многовитковой катушки индуктивности, диаметр которой был равен 2а, а длина составляла Ь . Эти простейшие формулы для индуктивности и емкости чрезвычайно приблизительны. Год спустя, Чу (СИи, 1948) [4] предложил более точный анализ, используя ТЕ и ТМмоды низшего порядка. Чу, и его последователи, заключали ЭМА в гипотетическую сферу радиуса а, в которой распространялись сферические ТЕ и ТМ моды. Чу предполагал, что моды энергетически не взаимодействуют между собой. Основная сложность при проведении анализа заключается в выделении неизлучаемой энергии из полной энергии, поступающей в излучатель. Поскольку последняя, в работе Чу, бесконечна, он разработал метод на основе рекуррентных соотношений для функций Бесселя. Расчет для низших ТЕ и ТМ мод оказался достаточно прост. Реактивное сопротивление антенны было выражено через функцию Бесселя низшего порядка и добротность 0, где добротность определяется следующим выражением:

0 = 2сЖ/Р, (1.1)

где I - энергия, запасенная в колебательной системе, которую можно вычислить дифференцируя зависимость реактивного сопротивления от частоты, Р - это энергия диссипативных потерь, с - круговая частота.

При учете одной низшей ТЕ или одной низшей ТМ моды добротность 0 может быть вычислена с помощью следующего выражения:

л 1 1

0 = На+ка (1.2)

Приведенное выше выражение справедливо при значениях добротности 0 >> 1, при этом ширина рабочей полосы частот по уровню половины энергии равняется

1/ Q. Отметим, что результат приведенный в работе Хансена (Hansen, 1981) является некорректным.

Концепция использования сферических мод низкого порядка была применена к расчету коэффициента усиления антенн Харрингтоном (Harrington, 1960). Он показал, что максимальная направленность для мод низшего порядка равна 3, которая является удвоенной величиной КНД для диполя Герца. Поскольку это соответствует самому низкому значению добротности Q , это может помочь в понимании того, почему добротность Чу не оказалась реализована на практике.

В работах Коллина и Ротшильда (Collin and Rothschild, 1964, 1998) энергия рассчитывается непосредственно, без использования формулировки Чу. Средняя энергия поля задается как интеграл от функции сферической моды, для которой радиус сферы стремится к бесконечности. Этот интеграл является бесконечным. Для получения запаса реактивной энергии в поле, излучаемая энергия вычитается из полной энергии. Плотность излучаемой энергии является реальной частью радиальной компоненты комплексного вектора Пойнтинга, деленного на скорость потока энергии. Использование такого соотношения позволяет выразить добротность Q через сферические гармоники. Для низших мод результат получается в таком виде, как представлено в уравнении (1.2). Этот результат был повторен Маклином (McLean, 1996). Он также показал, что, когда возбуждается не одна, а одновременно и ТЕ, и ТМ мода, то выражение (1.2) для добротности Q принимает следующий вид:

1 + 3k2 a2

Q = 2(1 + к2 a2)k3a3' (L3)

Этот результат отличается от удвоенного уравнения (1.2), потому что ТЕ и ТМ мода содержат как электрическую, так и магнитную энергию (Фантэ (Fante, 1969)).

Различные подходы были рассмотрены Тилем и др. (Thiele et al., 2003), которые основаны на расчете дальнего поля малых источников. Вычисление

значения диаграммной добротности Q в указанной работе основано на расчете интеграла от диаграмм видимого пространства, причем данный интеграл включает интегрирование по всему пространству. Полученные Тилем величины добротностей Q были выше добротностей, получаемых с использованием методики Чу. Электрически малый диполь, с синусоидальным распределением тока, был использован в качестве источника при интегрировании поля. Полученное диаграммное значение добротности Q было в 8 раз больше, чем в уравнении (2). Соответствующая ширина полосы такого диполя была рассчитана Хьюджененом (Hujanen, 2005).

Калафус (Kalafus, 1969) рассчитал добротность Q для высших мод с помощью разложения в ряды подынтегральных функций энергии. В этой работе были получены коэффициенты полиномов для добротности Q. Аналогичные расчеты Q для высших мод были представлены в работе Харрингтона (Harrington, 1960).

Наиболее яркие примеры, нарушающие представленные выше, были показаны в работах Андерхилла (Underhill, 2002) и Харпера (Harper, 2003). В работах Андерхилла и Харпера нарушения фундаментальных ограничений на ЭМА появляются из-за ошибочного применения статических формулировок к электромагнитным проблемам (Хансен, Hansen, 2006).

В работе Квона (Kwon, 2005) утверждается, что ортогональные ТЕ и ТМмоды дают усиление в 3 и половину добротности Q в каждой моде. Ошибочный расчет ограничений в полосе пропускания связан с путаницей между полной, запасенной и излучаемой энергиями. (Чалоупка, Chaloupka, 1992).

Гейя (Geyi, 2003) пересматривает задачу максимизации отношений КНД/Q. Он исправил ряд неточностей в работе Фантэ (Fante, 1969), где результат максимума отношения КНД/Q для направленной антенны (с обеими ТЕ и ТМ модами) равен

3/Q, тогда как для всенаправленной антенны, как и ожидалось, этот результат равен 3/2Q.

Рис. 1.1. Зависимость добротности Q от кг для КПД=5% (кривая 1), КПД=10% (кривая 2), КПД=50% (кривая 3), КПД=100% (кривая 4).

Приведем типичные значения добротности Q в зависимости от кг. На рис. 1.1 показана зависимость добротности Q от кг, где г - это радиус сферы, к -волновое число. Кривые приведены для КПД равной 100% (идеальное совпадение), 50%, 10% и 5%. Как видно из приведенных на рис. 1.1 зависимостей, при дополнительном увеличении потерь и снижение КПД также снижается и добротность Q.

Добротность для диполя, у которого отношение длины к радиусу равно 20, показана на рис. 1.1 при длине диполя 0.2Я. Для такого диполя добротность Q примерно равна 27, что значительно выше, чем при 100% КПД для предельного соотношения Чу. Именно поэтому можно говорить о том, что диполь неэффективно использует сферический объем. Не эффективность диполя заключается в том, что он использует одно измерение. На рис. 1. 1 отмечена антенна Гоубау, которая будет рассмотрена ниже.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Годин Андрей Сергеевич, 2019 год

А /// //

1.5 ГГц

6.00 4.00 2.00 0.00 -2.00 -4.00 -6.00 -8.00

-100.00 -50.00 0.00 50.00 100.00

0.град

Рис. 2.16. Диаграмма направленности «излучателя Година» на частоте 1.5 ГГц с различными величинами радиусов полушара Я: 1) 50мм; 2) 100мм; 3) 150мм.

Рис. 2.17. Диаграмма направленности «излучателя Година» на частоте 2 ГГц с различными величинами радиусов полушара Я: 1) 50мм; 2) 100мм; 3) 150мм. На рис. 2.18, 2.19 и 2.20 показаны ЗЭ-диаграммы направленности «излучателя Година» для трех радиусов полушара на частотах: 1, 1.5 и 2 ГГц

а) ' б) / в)

Рис. 2.18. ЭЭ-диаграмма направленности «излучателя Година» на частоте 1 ГГц с различными величинами радиусов полушара Я: 1) 50 мм; 2) 100мм; Э) 150мм.

а) * б) * в)

Рис. 2.19. ЭЭ-диаграмма направленности «излучателя Година» на частоте 1.5 ГГц с различными величинами радиусов полушара Я: 1) 50мм; 2) 100мм; Э) 150мм.

а) " б) ' в)

Рис. 2.20. ЭЭ-диаграмма направленности «излучателя Година» на частоте 2 ГГц с различными величинами радиусов полушара Я: 1) 50 мм; 2) 100мм; Э) 150мм.

Из представленных выше графиков (см. рис. 2.15-2.17) видно, что при увеличении радиуса полушара для «излучателя Година» характеристики диаграмм направленностей стремятся к изначальным характеристикам щелевой антенны (см. рис. 2.8-2.10).

Из приведенного выше расчета и сравнения, видно, что возможно уменьшить рабочий диапазон частот в 10 раз используя импедансносогласованные материалы без изменения габаритных размеров самого излучателя антенны.

Предложенный подход также был применен и на других излучателях: Вивальди, вибратор и др. [4Э], и были получены приемлемые характеристики антенн при уменьшении рабочих частот в требуемое число раз.

2.4 Выводы

Предложен метод по использованию импедансносогласованных с вакуумом материалов для уменьшения рабочей частоты существующих излучателей и построения на их основе электрически малых антенн. Верификация предложенного метода проводилась путем моделирования излучателей антенн на современном программном комплексе по расчету электромагнитных полей ANSYS Ю^. Результаты моделирования показали, что при использовании импедансносогласованных материалов возможно уменьшить рабочую частоту в 10 раз излучателя антенны, при этом не изменять его габаритных размеров. Ограничение накладываемыми на габариты антенны состоит в выборе радиуса шара (полушара) и в разработке материала для нужного диапазона частот.

Э Метод синтеза электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов при заданном

коэффициенте усиления

Э.1 Введение

В главе 2 был рассмотрен метод синтеза электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных материалов. Вопрос выбора радиуса шара (полушара) решался методом подбора при использовании процедуры численного моделирования. Поэтому возникает вопрос, каким должен быть радиус шара (полушара) из импедансносогласованного материала по заданному требованию на коэффициент усиления антенного излучателя, который определяет габарит. При сравнительном анализе габаритов излучателей ЭМА, моделирования элементарных излучателей кубов Гюйгенса и Сестрорецкого позволяют обеспечить решение данного вопроса. И тогда метод синтеза электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов будет выглядеть следующим образом.

Э.2 Полное описание метода синтеза электрически малых антенн с использованием импедансносогласованных с вакуумом

В главе 2 были представлены свойства импедансносогласованного материала, чтобы не иметь значительного отражения на границе материал-вакуум. К этому списку добавится еще один пункт по выбору радиуса шара (полушара) из импедансносогласованного материала. Таким образом, полный список будет выглядеть так:

1) отношение действительной части относительной диэлектрической проницаемости к действительной части относительной магнитной проницаемости больше 1/2 и меньше 2. При соблюдении такого условия коэффициент стоячей волны (КСВ) от границы импедансносогласованный с вакуумом материал - вакуум

не будет превышать 42 ;

2) значения тангенсов диэлектрических и магнитных потерь не должны превышать 0.01;

3) действительная часть диэлектрической проницаемости в £г раз больше диэлектрической проницаемости вакуума и действительная часть магнитной проницаемости в раз больше магнитной проницаемости вакуума;

4) выбор радиуса шара (полушара) из импедансносогласованного с вакуумом материала определяется следующим образом:

• при заданном значении коэффициента усиления Ку0 определяется длина ребра внешнего куба Гюйгенса а0 (рис. 3.1);

• радиус шара (полушара) из импедансносогласованного с вакуумом

материала Д = (рис. 3.2).

К

уО

______

^--------

0 Я Л Я 2 5

г 6 ^ >236

7

7

|

1

1

а(

а

Рис. 3.1. Зависимость коэффициента усиления Ку внешнего куба Гюйгенса от

длины волны его ребра а.

Рис. 3.2. Шар из импедансносогласованного с вакуумом материала радиусом Я и вписанный в него внешний куб Гюйгенса с длинной стороны а0.

Диапазон рабочих частот полученного излучателя с

импедансносогласованным с вакуумом шаром составит [25-27, 32, 33, 38]. В

результате, полученная антенна работает на длинах волн в N раз больше исходной, а геометрические размеры антенны остались теми же, и именно в этом смысле антенна может быть названа электрически малой.

Для определения длины ребра внешнего куба Гюйгенса а0 помимо используемого графика на рис. 3.1 может быть использована непосредственно моделирование с помощью программного комплекса А№УБ НЕББ V. 18.2 внешнего куба Гюйгенса. Для определения минимального радиуса (шара) полушара из импедансносогласованного с вакуумом материала используется внешний куб Гюйгенса, поскольку, как было показано выше, при заданном габарите у него наблюдается наибольшее значение коэффициента усиления и при его численном моделировании требуется меньше памяти и времени для его расчета, т.к. внешний куб Гюйгенса представляет собой простейшую геометрию.

3.3 Выводы

Таким образом, было дано полное описание метода синтеза электрически малых антенн и его применение в численном расчете. Из этого метода следует, что выбор радиуса шара (полушара) для антенного излучателя должен выбираться не

менее Л, на которой должен работать антенный излучатель. Представляет собой

интерес применить этот метод на реальной антенне и измерить на автоматизированном измерительном комплексе полученные частотные характеристики и диаграммы направленности.

4 Автоматизированный программно-аппаратный комплекс для измерений диаграмм направленностей ЭМА. Результаты измерений и сравнения с расчетами характеристик «излучателя Година»

4.1 Введение

В этой главе представлен разработанный автоматизированный программно -аппаратный комплекс для измерений ЭМА. С помощью данного комплекса было проведено измерение частотных характеристик и диаграмм направленностей для антенного излучателя, который был разработан на основе предложенного метода в главе 3.

На рынке существует достаточно большое количество автоматизированных комплексов для измерений антенных характеристик. Для примера был выбран комплекс компании Diamond Engineering серии 6100. Его технические характеристики представлены в таблице 3. Стоимость такого комплекса составляется порядка 15000 USD. ± 90

Таблица 3. Технические характеристики для Diamond Engineering серии

6100

Рабочий диапазон частот до 18 ГГц

Измерения по азимуту 360 градусов

Измерения по углу месту ± 90 градусов

Шаг измерения по азимуту 0.1 градуса

Шаг измерения по углу места 0.1 градуса

Поскольку стоимость комплекса компании Diamond Engineering оказалась достаточно высокой, то был проведен анализ, как можно измерить еще характеристики антенных излучателей с уменьшением стоимости. Была выбрана поворотная система позиционирования WiNRADiO WR-ARP-ELAZ-100 [26, 27, 44] стоимость которой на рынке составляет 138397 рублей. Это поворотное

устройство также позволяет измерять по азимуту на 360 градусов и по углу места -± 90 градусов. Шаг измерения по углу места и азимуту такого комплекса составляет 1 градус. Т.к. измеряемые антенны будут меряться в частотном диапазоне 1-4 ГГц, размеры апертуры у таких антенн не будет превышать 500 мм, то, соответственно, ширина диаграмм направленностей будет не менее 10 градусов [31]. Поэтому шаг измерения в 1 градус такого комплекса будет приемлемым. Разница в стоимости двух комплексов составляет порядка 7 раз, то целесообразно систему позиционирования WiNRADiO дополнить специальным программным обеспечением (ПО). В программной среде C++ было написано ПО «Tamic Obl», которое позволило обеспечить функции по измерению антенн в автоматическом режиме. Таким образом, этот комплекс позволит получить достоверные данные по измерению антенных систем при снижении стоимости в 7 раз, по сравнению с аналогами.

Далее будет описан процесс измерения электрически малой антенны на базе автоматического программно-аппаратного комплекса WiNRADiO и применение специализированный программы «Tamic Obl».

4.2 Состав автоматизированного комплекса для измерения антенных

характеристик

Антенные измерения частотных характеристик проводятся в безэховых экранированных камерах (БЭК) [26, 27, 45] (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Пример безэховой экранированной камеры.

На рис. 4.2 представлена схема по измерению в безэховой экранированной камере.

Рис. 4.2. Схема измерений в безэховой экранированной камере.

Как видно из рис. 4.2 для проведения измерения частотных характеристик излучающих антенных устройств необходимы нижеперечисленные составные устройства:

- E5071C векторный анализатор цепей серии ENA [26, 27, 46] (рис. 4.3);

- персональный компьютер (ПК);

- передающие антенны (рис. 4.4);

- приемные антенны (рупор П6-23М) [26, 27, 47] (рис. 4.5),

- система позиционирования WiNRADiO (рис. 4.6),

- блок управления WR-RCU-100-ATC (рис. 4.7),

- тренога (рис. 4.8).

Рис. 4.3. Е5071С векторный анализатор цепей серии ENA.

а)

16)1

Рис. 4.4. Передающие (измеряемые) антенны - а) волноводный щелевой излучатель; б) «излучатель Година».

Рис. 4.5. Приемная антенна (рупор П6-23М).

Рис. 4.6. Система позиционирования WiNRADiO.

Рис. 4.7. Блок управления WR-RCU-100-ATC.

1

* ф

Рис. 4.8. Тренога.

На языке программирования С++ была написано программа «Таш1е ОЬ1». Данная программа позволяет в автоматическом режиме управлять позиционером, проводить измерения и выводить полученные данные.

На рис. 4.9 показано окно программы, в котором нужно задать параметры для автоматического измерения. После проведения измерения все полученные данные будут записаны в отдельный файл.

Ready

Рис. 4.9. Скриншот программы «Tamic Obl». Данный автоматизированный комплекс был применен для измерения частотных характеристик и диаграмм направленностей щелевой антенны и «излучателя Година», предложенного в третьей главе.

4.3 Сравнение экспериментально измеренных и рассчитанных частотных характеристик, и диаграмм направленностей щелевой антенны и «излучателя

Година»

В главе 2 была промоделирована щелевая антенна. На основе этой модели был изготовлен реальный прототип такой антенны. Он представлен на рис. 4.9. У данной антенны нижняя рабочая частота составляет значение f0.

Рис. 4.9. Прототип щелевой антенны.

В таблице 4 представлены геометрические размеры щелевой антенны.

Буквенное обозначение Размер, Л0

а 7/15

Ь 1/5

к 7/15

аг 7/15

Ьг 95/355

кг 1/150

°>2 2.8

Ь2 2.8

к 2 4

На рис. 4.10 приведена рассчитанная и экспериментальная частотная характеристика КСВ щелевой антенны. Рассчитанная и экспериментальная частотная характеристика коэффициента усиления щелевой антенны показана на рис. 4.11.

Рис. 4.10. Рассчитанная (кривая 2) и экспериментальная (кривая 1) частотная характеристика КСВ щелевой антенны для частот от /0 до 2.5 /0.

-70

Рис. 4.11. Рассчитанная (кривая 2) и экспериментальная (кривая 1) частотная характеристика коэффициента усиления щелевой антенны для частот от 0.25/0 до

2.5/с.

Отличия экспериментальных характеристик КСВ и Ку щелевой антенны от рассчитанных связаны со следующими факторами:

• неточность изготовления геометрических размеров щелевой антенны;

• методическая ошибка метода конечных элементов при расчете характеристики КСВ.

Для данной щелевой антенны рабочий диапазон частот составляет от 1.14/0 до 2.5 /0. В таком частотном диапазоне значение КСВ антенного излучателя меньше 3 (см. рис. 4.10), а коэффициент усиления увеличивается с 3.2 дБ до 7.68 дБ (см. рис. 5.11).

На рис. 4.12 представлены графики рассчитанных и экспериментальных диаграмм направленностей для волноводного щелевого излучателя на частоте /0. Углы 0 и ф на рис. 2.5 (а) соответствуют углам показанном на рис. 4.12.

Рис. 4.12. Графики рассчитанных (а) и экспериментальных (б) диаграмм

направленностей для волноводного щелевого излучателя на частоте /0.

Приведем результаты экспериментально измеренных и рассчитанных

частотных характеристик, и диаграмм направленностей, рассмотренного в третьей

главе, щелевой антенны с применением импедансносогласованного с вакуумом

2

материала радиусом Я равный -Л0 («излучателя Година») (рис. 2.12, 4.4 б) с

использованием разработанного автоматизированного программно-аппаратного комплекса для мультичастотных измерений. Параметры

импедансносогласованного материала были представлены в работе [48].

На рис. 4.13 приведена экспериментальная и рассчитанная частотная характеристика КСВ «излучателя Година». Экспериментальная и рассчитанная и частотная характеристика коэффициента усиления «излучателя Година» показана на рис. 4.14.

Рис. 4.13. Экспериментальная (кривая 1) и рассчитанная (кривая 2) частотная характеристика КСВ «излучателя Година» для частот от 0.25/0 до 2.5 /0.

Рис. 4.14. Экспериментальная (кривая 1) и рассчитанная (кривая 2) частотная характеристика коэффициента усиления «излучателя Година» для частот от

0.25/0 до 2.5/0.

На рис. 4.15 представлены графики рассчитанных и экспериментальных диаграмм направленностей для волноводного щелевого излучателя на частоте 0.75/0. Углы 0 и ф на рис. 2.5 (а) соответствуют углам показанном на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Графики рассчитанных (а) и экспериментальных (б) диаграмм направленностей для волноводного щелевого излучателя на частоте 0.75/0. Отличия экспериментальных характеристик КСВ и коэффициента усиления «излучателя Година» от рассчитанных связаны со следующими факторами:

• неточность изготовления геометрических размеров ВЩИ;

• методическая ошибка метода конечных элементов при расчете характеристики КСВ;

• неточность задания значений относительных диэлектрических и магнитных проницаемостей.

Из рис. 4.13 видно, что значение частотной характеристики КСВ «излучателя Година» меньше 3 при таких частотах: 0.77/0-1.12/0; 1.13/0-1.32/0; 1.52/0-1.89/0; 1.94/0-2.3/0. Из рис. 4.14 видно, что коэффициент усиление Ку для «излучателя

Година» на 0.6/0 равен 0.83 дБ; во всем диапазоне частот от 0.75/0 до 2.5/0 значение коэффициента усиления Ку превышает 5 дБ. Рабочий диапазон частот

«излучателя Година» составляет 0.77/0 - 2.5/0.

4.4 Сравнение экспериментальных характеристик коэффициента усиления «излучателя Година» и исходной щелевой антенны и их сравнение с теоретическими пределами для коэффициента усиления На рис. 4.16 приведем сравнение частотных характеристик коэффициента усиления «излучателя Година» (кривая 1) и исходной щелевой антенны (кривая 2) для частот от 0.25/0 до 2.5/0.

20

ш ю

-ю

-20

си

3 -30

-8-8-

40

-50

-60

Л» ««« д«..

,25/о 0.5/У 0 75/0 / 'О 1 25/0 1 5/о 1 75/0 2/о 2 25/0 2.5

* ! /

/ / / / / 1 2

п / у /

✓ / 1

Рис. 4.16. Сравнение частотных характеристик коэффициента усиления «излучателя Година» (кривая 1) и исходной щелевой антенны (кривая 2) для

частот от 0.25/0 до 2.5/0.

Как видно из рис. 4.16, частота на которой значение коэффициента усиления Ку равно нулю, сместилось с частоты /0 на частоту 0.6/0. По уровню -3 дБ

значение коэффициента усиления Ку сместилось с частоты 0.98/0 на частоту

0.57/0. По уровню 3 дБ значение коэффициента усиления Ку сместилось с частоты

1. 09/0 на частоту 0.73/0. По уровню 5 дБ значение коэффициента усиления Ку сместилось с частоты 1.26/0 на частоту 0.75/0. Стоит отметить, что на частоте 1.09/0 исходная щелевая антенна (кривая 2) значение Ку равняется 3.44 дБ, когда

как в «излучателя Година» на частоте 0.81/0 значение Ку равняется 9.3 дБ, разница

между этими значениями составляет 5.86 дБ. Практически во всем частотном диапазоне до 2.5/0 коэффициента усиления Ку «излучателя Година» больше

коэффициента усиления исходной щелевой антенны. Таким образом, «излучатель Година», по сравнению с исходной щелевой антенной, не только смещен диапазон рабочих частот, но и увеличено значение коэффициента усиления.

На рис. 4.17 приведены графики частотной зависимости коэффициента усиления Ку:

• измеренного «излучателя Година» (кривая 1);

• для внешнего куба Гюйгенса со стороной ребра 42 мм (кривая 2);

• квадратного раскрыва со стороной 42 мм (кривая 3);

• для добротности равной единице при возбуждении первой моды

2

сферической гармоники для сферы радиуса Я равной -Л0 (кривая 4) [32, 33, 49, 50];

• для добротности равной единице при возбуждении первой и высших

распространяющихся мод сферических гармоник для сферы радиуса Я 2

равной -Л0 (кривая 5) [49, 50].

Во всем диапазоне рассмотренных частот показанных на рис. 4.17 измеренное значение коэффициента усиления Ку «излучателя Година» (кривая 1)

не превышает теоретического предела полученного для первой и высших распространяющихся мод сферических гармоник (кривая 5). В диапазоне частот от 0.8/0 до 1. 07/0 измеренное значение коэффициента усиления Ку «излучателя

Година» (кривая 1) практически совпадает с теоретическим пределом полученной для первой сферической гармоники (кривая 4), а для других частот - от 0.53/0 до 0.74/0 и от 1.1/0 до 1.75/0 практически совпадает с значениями коэффициента усиления К у , рассчитанными для внешнего куба Гюйгенса (кривая 2) и для

квадратного раскрыва (кривая 3). Стоит отметить, что до частоты 0.56/0 значение коэффициента усиления Ку «излучателя Година» (кривая 1) гораздо ниже

значений Ку для кривых 2-5. Это связано с тем, что для этих частот волновод,

возбуждающий щель, является запредельным даже с учетом его заполнения импедансносогласованным с вакуумом материалом. Таким образом, полученный «излучатель Година» обладает практически предельно достижимыми значениями коэффициента усиления, а моделирование такого излучателя с помощью внешнего куба Гюйгенса позволяет достоверно оценить параметры «излучателя Година».

Рис. 4.17. Частотная зависимость коэффициента усиления Ку измеренного

«излучателя Година» (кривая 1), внешнего куба Гюйгенса со стороной ребра 42 мм (кривая 2), теоретический коэффициент усиления для квадратного раскрыва со стороной 42 мм (кривая 3), теоретические пределы коэффициентов усилений для

добротности равной единице при возбуждении первой моды сферической гармоники (кривая 4 для добротности равной единице при возбуждении первой и высших распространяющихся мод сферических гармоник (кривая 5).

На рис. 4.18 и 4.19 приведем сравнение диаграмм направленностей в азимутальной и угломестной плоскости для «излучателя Година» на частоте 0.75/0 и волноводного щелевого излучателя на частоте /0. Углы 0 и ф на рис. 2.5 (а) соответствуют углам показанном на рис. 4.18 и 4.19.

Рис. 4.18. График диаграмм направленностей в азимутальной плоскости для «излучателя Година» на частоте 0.75/0 (кривая 1) и волноводного щелевого

излучателя на частоте /0 (кривая 2).

Рис. 4.19. График диаграмм направленностей в угломестной плоскости для «излучателя Година» на частоте 0.75/0 (кривая 1) и волноводного щелевого

излучателя на частоте /0 (кривая 2).

Как видно из приведенных выше графиков диаграмм направленностей на рис. 4.18 и 4.19 видно, что диаграмма направленности «излучателя Година» на частоте 0.75/0 достаточно хорошо совпадает с диаграммой направленности волноводного щелевого излучателя на частоте /0.

Таким образом, из приведенных выше сравнительных графиках, можно говорить о том, что «излучатель Година»:

• по сравнению с исходным волноводным щелевым излучателем не только смещен диапазон рабочих частот, но и увеличено значение коэффициента усиления;

• обладает практически предельно достижимыми значениями коэффициента усиления;

• совпадает диаграмма направленности на частоте 0.75f0 с исходной щелевой антенной на частоте /0.

4.5 Выводы

Приведено описание разработанного автоматизированного программно-аппаратного комплекса для измерений ЭМА и их диаграмм направленностей. Комплекс построен на основе позиционера WiNRADiO и программного обеспечения «Tamic Obl». Приведены результаты численного электродинамического моделирования и экспериментально полученные характеристики КСВ и Ку волноводного щелевого излучателя и «излучателя

Година» на его основе. Отличия экспериментальных и расчетных характеристик КСВ и К у связаны со следующими факторами:

• неточность изготовления геометрических размеров волноводного щелевого излучателя;

• методическая ошибка метода конечных элементов при расчете характеристики КСВ;

• неточность задания значений относительной диэлектрической и магнитной проницаемостей.

Рабочая частота «излучателя Година» по сравнению с исходной щелевой антенной уменьшена в 1.5 раза с /0 до 0.66/0.

Приведено сравнение частотных характеристик коэффициента усиления K у

«излучателя Година» и исходной щелевой антенны, на которой видно, что удалось сместить рабочую полосу излучателя в более длинноволновый диапазон, но и при этом увеличено значение коэффициента усиления.

В диапазоне частот от 0.8/0 до 1. 07/0 измеренное значение коэффициента усиления Kу «излучателя Година» практически совпадает с теоретическим

пределом Чу, полученным для первой сферической гармоники.

«Излучатель Година» обладает практически предельно достижимыми значениями коэффициента усиления, а моделирование такого излучателя с помощью внешнего куба Гюйгенса позволяет достоверно оценить параметры «излучателя Година».

При сравнительном анализе диаграмм направленностей для «излучателя Година» и исходной щелевой антенны видно, что диаграмма направленности «излучателя Година» на частоте 0.75/0 достаточно хорошо совпадает с диаграммой направленности щелевой антенны на частоте /0.

Существуют импедансносогласованные с вакуумом материалы с относительными диэлектрической и магнитной проницаемостями равными более 10, которые производятся в США и запрещены к вывозу за пределы страны производителя [37]. Использование подобных материалов позволяет уменьшить диапазон рабочих частот более чем на порядок, а эффективную площадь рассеяния излучателей более чем на два порядка [32, 33, 43]. Именно поэтому в нашей стране необходимо проводить работы по созданию импедансносогласованных с вакуумом материалов с подобными характеристиками, что позволит для излучателей антенн получать уменьшение рабочей частоты в 10 раз, эффективной площади рассеяния в 100 раз при использовании отечественных импедансносогласованных с вакуумом материалов.

112 Заключение

При решении задач, поставленных в диссертационной работе, были получены следующие результаты:

1. Предельно достижимые, для заданных габаритов излучателя, согласно критерию Чу, значения коэффициента усиления достигаются в излучателях с двумя индукционными и двумя дальними зонами, которые могут быть реализованы при использовании импедансносогласованных с вакуумом материалов.

2. Рабочая частота излучателя может быть уменьшена без изменения геометрии при использовании импедансносогласованных с вакуумом материалов.

3. Уменьшена в 7 раз, по сравнению с существующими на рынке, стоимость автоматизированного программно-аппаратного комплекса для мультичастотных измерений диаграмм направленностей электрически малых антенн при использовании системы позиционирования и разработанного программного обеспечения.

Таким образом, разработан излучатель с использованием импедансносогласованных с вакуумом материалов для создания антенных систем с минимальным габаритным размером и заданным электрическим характеристикам для решения задач навигации и связи, т.е. поставленная в диссертационной работе цель выполнена.

Данное исследование позволит в дальнейшем проводить миниатюризацию антенных систем для перспективных систем связи и навигации. Использование в антенных излучателях импедансносогласованных материалов позволяет увеличить развязку между антенными излучателями, уменьшить толщину антенного полотна, увеличить сектор обзора антенной решетки, уменьшить обратное рассеяние антенн. Импедансносогласованные материалы могут быть использованы и для снижения заметности, например, БПЛА (беспилотных летательных аппаратов), поскольку не только уменьшаются габариты антенн, но и снижается их эффективная площадь рассеяния.

Список литературы

1. Климов, К.Н., Годин, А.С., Гежа, Д.С. Электрически малые антенны (часть

1). // Успехи современной радиоэлектроники. М.: №6. 2016. С. 47-62.

2. Климов, К.Н., Годин, А.С., Гежа, Д.С. Электрически малые антенны (часть

2). // Успехи современной радиоэлектроники. М.: №7. 2016. С. 17-34.

3. Wheeler, H.A. Fundamental Limitations of Small Antennas. Proc IRE Vol. 35, Dec. 1947, pp. 1479-1484.

4. Chu, L.J. Physical Limitations of Omni-Directional Antennas. J Appl Physics Vol. 19, Dec. 1948, pp. 1163-1175.

5. Сазонов, Д.М., Фролов, Н.Я. Электромагнитное возбуждение сферической слоисто-радиальной среды. Журнал технической физики, 1965, т.ХХХУ, вып. 6, 990-993.

6. Коган, Б.Л. Теория широкополосного согласования. // Сборник научно-методических статей по прикладной электродинамике - 1980. - Вып. 3. - с. 162182.

7. Гречихин, А. Электрически малые антенны: возможности и заблуждения. Радио, 1992, №11, С.8-10.

8. Гречихин, А. И., Окунев, А. Г. Исследование эффективности тороидальных антенн СТНА. — В кн.: "Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства" Межвуз. сборник науч. трудов. Вып. 7: Н. Новгород, НГТУ, 2001.

9. Гаврилин, А. Т., Гречихин, А. И. Проскуряков, Д. В. Исследование характеристик тороидальной антенны со встречными спиральными обмотками. — Радиотехника, 2001, №9.

10. Гречихин, А. T. Тороидальные антенны. Радио, 2003, №1, С.64-66.

11. Слюсар, В. 60 лет теории электрически малых антенн. Электронника: Наука, Технология, Бизнес, 2006, №7, С.10-19.

12. Воронов, А.А. Применение сингулярных интегральных уравнений для анализа кольцевой рамочной антенны и малоотражающего конформного покрытия объектов. Дис. канд. физ-мат. наук. Самара: ПГУТИ. 2009. С.88.

13. Бабушкина, О.А. Исследование перспективных схемно-конструктивных решений для антенно-фидерных устройств и фильтров СВЧ диапазона. Дис. канд. техн. наук. С-Пб.: ЛЭТИ. 2010. С.182.

14. Бойко, С.Н., Веселаго, В.Г., Виноградов, Е.А., Жуков, А.А. Малогабаритные антенны на основе метаматериалов, Антенны, 2012, №12, С.32-41.

15. Князев, Н.С. Исследование характеристик сферических резонаторных антенн малых электрических размеров. Дис. канд. техн. наук. Екатеринбург: УРФУ. 2012. С.125.

16. Шарафиев, А.В. Многоэлементные джозефсоновские структуры для реализации высоколинейных широкополосных устройств. Дис. канд. физ-мат. наук. М.: МГУ. 2013. С.108.

17. Корюкин, А.Н. Качественный анализ электромагнитных полей простых антенн. Дис. к. т. н. Москва: МЭИ. 2008. С.170.

18. Папилов, К.Б. Малогабаритные многослойные печатные антенны. Дис. к. т. н. Москва: МЭИ. 2015. С.164.

19. Wong, K-L. Compact and Broadband Microstrip Antennas, John Wiley & Sons, Inc., 2002, P. 324.

20. Елизаров, А.А., Закирова, Э.А. Микрополосковые СВЧ устройства на печатных платах с многослойными диэлектрическими подложками, М. ИД Медиа Паблишер, 2016, С. 122.

21. Сороковик, Д.В. Анализ процессов нестационарного излучения вибраторных антенн с применением качественных методов. Дис. канд. ф-м. наук. Москва: МЭИ. 2015. С.204.

22. Hertz, H. Die Krafte elektrischer Schwingungen, behandeltnach der Maxwell' schenTheorie. / Ann.d.Phys. 1889, B. 36, s. 1-22.

23. Годин, А.С., Цай, А.Б., Климов, К.Н. Численное электродинамическое исследование внешнего куба Гюйгенса. // РЭ. 2015. Т.60. №5. С. 468-485.

24. Годин, А.С., Мацаян, М.С., Климов, К.Н. Численное электродинамическое исследование внешнего куба Сестрорецкого. // РЭ. 2016. Т.61. №5. С. 401-417.

25. Климов, К.Н. Определенеие, параметры и области применения импедасносогласованных материалов // Сборник докладов. XIII Международная научно-практическая конференция «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии». 1-10 октября 2016 г. Россия, Сочи. С. 516-518.

26. Годин, А.С. Численное электродинамическое моделирование электрически малых антенн и элементарных излучателей. Дис. канд. техн. наук. Москва: 2015. C.175.

27. Годин, А.С. Численное электродинамическое моделирование электрически малых антенн и элементарных излучателей. Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва: 2015. C.19.

28. Stratton, J.A. Electromagnetic Theory, Mcgraw Hill Book Company, NY and London, 1941.

29. Schelkunoff, S.A. The Impedance Concept and Its Application to Problems of Reflection, Refraction, Shielding and Power Absorption. Bell System Technical Journal, vol. 17, no. 1, pp. 17-48, January 1938.

30. Федоров, Н.Н. Основы электродинамики. - М.: Высш. Школа, 1980 .- С.

399.

31. Марков, Г.Т., Сазонов, А.М. Антенны. М.: Энергия, 1975 - C. 528.

32. Климов, К.Н., Годин, А.С. Излучатель Климова. Патент РФ на полезную модель RU № 169311. ОБ «Изобретения. Полезные модели». 2017. №8.

33. Годин, А.С., Климов, К.Н. Излучатель Година. Патент РФ на полезную модель RU № 170118. ОБ «Изобретения. Полезные модели». 2017. №11.

34. Wheeler, H.A. The Radiansphere around a Small Antenna. in Proc. IRE, vol. 47, no. 8, pp. 1325-1331, August 1959.

35. ГОСТ Р 51317.4.3-2006 (МЭК 61000-4-3:2006). Устойчивость к радиочастотному электромагнитному полю. Требования и методы испытаний. М., 2006. 37с. (Совместимость технических средств электромагнитная).

36. Godin, A.S., Klimov, K.N. Expansion of the band of operating frequencies for antenna radiators using impedance-matched materials. // International Scientific and Technical Conference «Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications» (SYNCHR0INF0-2018). 4-5 July 2018. The Republic of Belarus, Minsk.

37. Zhuohao Xiao, Chuanhu Wang, Lie Liu, Zhihong Yang, Ling Bing Kong, Rapid processing of ferrite ceramics with promising magneto-dielectric characteristics. Journal of Advanced Dielectrics, vol.7, №6, 1750040, 2017.

38. Годин, А.С., Мацаян, М.С., Гежа, Д.С., Климов, К.Н. Применение принципа электродинамического подобия и специальных материалов для уменьшения габаритов излучателя. // Наукоемкие технологии. М.: №4, 2016, С.3.

39. Баскаков, С.И. Основы электродинамики. М.: Сов. Радио, 1973, С. 248.

40. Parsche, E.F. Broadband polarized antenna including magnetodielectric material, isoimpedance loading, and associated methods. U.S. Patent 7 573 431, August 11, 2009.

41. Best, S.R. The Radiation Properties of Electrically Small Folded Spherical Helix Antennas. Trans IEEE Vol. AP-52, April 2004, pp. 953-960.

42. Best, S.R., Low Q Electrically Small Linear and Elliptical Polarized Spherical Dipole Antennas. Trans IEEE Vol. AP-53, March 2005, pp. 1047-1053

43. Круглов, А.И. Численное электродинамическое моделирование ЭПР антенн с использованием импедансносогласованных материалов на примере электрического диполя запитанного внешним кубом Гюйгенса. // Инновационные, информационные и коммуникационные технологии. М.: №1. 2016. С. 526-529.

44. Winradio: [Электронный ресурс]. 2019. URL: http://www.winradio.com/home/arp-elaz-100.htm (Дата обращения: 03.04.2019).

45. Мицмахер, М.Ю., Торгованов, В.А. Безэховые камеры СВЧ. - М.: Радио и связь, 1982

46. Agilent E5070B/E5071B ENA Series RF Network Analyzers, May 21, 2003 5988-9463EN.

47. Антенный измерительный комплекс П6-23М [Электронный ресурс]. 2019. URL : https://www.priborelektro.ru/product/price/antenny-izmeritelnye-2/806.html (Дата обращения: 03.04.2019).

48. Серебрянников, С.С., Серебрянников, С.В, Черкасов, А.П., Долгов, А.В., Еремцова, Л.Л., Румянцев, П.А. Композиционные радиопоглощающие материалы на основе сегнетоэлектриков и гексаферритов типа W. // Сборник трудов XXIV Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы (фундаментальные физические исследования)». 18-19 ноября 2016 г., Россия, Москва. С. 331-336.

49. Коган, Б.Л. Применение векторов Фарадея в теории антенн. Журн. «Радиоэлектроники», 2008, №7, С. 48. URL: http://jre.cplire.ru/mac/jul08/1/text.html (Дата обращения 03.04.2019).

50. Фельдштейн, А.Л., Явич, Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников СВЧ. М., Связь, 1971 г. С. 388.