Интерференционные потоки энергии в комбинированных излучающих системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат наук Запасной, Андрей Сергеевич

• Запасной, Андрей Сергеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Запасной, Андрей Сергеевич

Оглавление

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Основы, заложенные Уилером

1.2 Вклад Чу

1.3 Работы Харрингтона

1.4 Работы Коллина, Ротшильда и Фанте

1.5 Работы Хансена

1.6 Работы Маклина

1.7 Работы Беста и Ягджиана

1.8 Работы Тхала

Заключение

2 Интерференционные явления в полях комбинированных излучающих систем

2.1 Модель комбинированной излучающей системы, состоящая из электрического и магнитного диполей

2.2 Модель комбинированной излучающей системы, состоящая из электрического и магнитного вибраторов

2.3 Вклад интерференционной составляющей в мощность излучения системы, состоящей из идентичных излучателей

2.4 Вклад интерференционной составляющей в мощность излучения малоэлементной антенной решетки

2.5 Интерференционные потоки энергии в комбинированной излучающей системе, состоящей из неидентичных излучателей, и их вклад в мощность излучения

2.6 Диаграмма направленности комбинированной излучающей системы52

2.6.1. Метод векторного потенциала

2.6.2. Метод мультипольногоразложения

2

2.7 Характеристики излучения малоэлементной антенной решетки, состоящей из комбинированных излучающих систем

2.7.1 Зависимость диаграммы направленности от расстояния между решетками

2.7.2 Зависимость диаграммы направленности от начальных фаз

2.7.3 Зависимость диаграммы направленности от моментов излучателей

Выводы

3. Влияние на добротность излучения интерференционных потоков энергии

3.1. Влияние пространственного положения и ориентации излучателя электрического типа на добротность излучения

3.2. Влияние пространственной конфигурации и фазировки на добротность излучения комбинированных излучающих систем

3.2.1. Модель комбинированной излучающей системы, состоящей из двух неидентичных излучателей

3.2.2. Комбинированная излучающая система из трех излучателей

3.3 Добротность излучения системы из симметрично разнесенных неидентичных излучателей

3.3.1 Расчет мощности излучения методом векторного потенциала

3.3.2 Расчет мощности излучения с использованием мультипольного разложения

3.3.3 Добротность излучения

Выводы

4. Добротность излучения сферического излучателя с учетом запаса

энергии внутри сферы

4.1 Электрическая и магнитная энергии, запасенные в ближней зоне произвольной системы электрических и магнитных токов. Излучаемая мощность

4.1.1 Добротность элементарного электрического диполя

4.1.2 Добротность совмещенных и одинаково ориентированных электрического и магнитного диполей

4.1.3 Добротность совмещенных и ортогонально ориентированных электрического и магнитного диполей

4.1.4 Добротность сферического излучателя

4.2 Теоретическое и экспериментальное исследование модели сферической антенны

4.3.1 Моделирование в пакете программ 4NEC2

4.3.2 Моделирование с помощью пакета программ CST Microwave Studio

Выводы

5 Прохождение через проводящую сферическую оболочку встречных

электромагнитных полей локализованных источников

Выводы

Заключение

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение 1

Приложение 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интерференционные потоки энергии в комбинированных излучающих системах»

Введение

Актуальность исследования определяется тем, что в связи с широкомасштабным развитием сверхширокополосных систем связи, радиолокации, зондирования сред все более разнообразятся и ужесточаются требования к таким характеристикам антенн, как полоса пропускания, эффективность излучения, усиление, наличие и стабильное положение фазового центра. В свою очередь миниатюризация антенн стала одним из самых насущных вопросов, поскольку возрос спрос на мобильные телефоны и портативные компьютеры.

По мере уменьшения характерных электрических размеров антенны наблюдается довольно слабая зависимость ее характеристик направленности от частоты. Однако имеет место достаточно сильная частотная зависимость входного импеданса, препятствующая обеспечению качественного согласования антенны с питающим фидером в широкой полосе частот. Наиболее явственно эта проблема проявляется в области нижних частот, из-за возрастания запаса реактивной энергии в ближней зоне антенны. Поскольку реактивная энергия определяется разностью запасов магнитной и электрической энергий, то для ее уменьшения следует стремиться к выполнению условия баланса указанных энергий в требуемой полосе частот.

К настоящему времени предложены различные конструкции широкополосных излучающих систем, в определенной мере обеспечивающих сформулированное требование. Среди таковых можно отметить, например, спиральные антенны, биконические излучатели, снабженные шлейфами, и так называемые комбинированные антенны.

К комбинированным антеннам относят такие антенны, которые включают в свой состав достаточно чётко выделяемые излучатели электрического и магнитного типов. Своими названиями эти излучатели обязаны тому обстоятельству, что в ближней зоне у первых преобладает запас электрической энергии, а у вторых - запас магнитной энергии.

5

Основополагающие принципы выравнивания запасов энергий в ряде оригинальных конструкций комбинированных антенн разработаны в работах, выполненных на кафедре радиофизики НИ ТГУ. Большой объем исследований различных антенн данного типа проведен в лаборатории высокочастотной электроники ИСЭ СО РАН, г. Томск.

Данная диссертационная работа направлена, во-первых, на разработку последовательной теории, объясняющей механизмы возникновения интерференционных потоков энергии в ближней зоне достаточно произвольной комбинированной излучающей системы (КИС). При этом исследованием охвачены как КИС, содержащие, по крайней мере, два излучателя электрического типа, так и КИС, включающие различные сочетания излучателей электрического и магнитного типов. Теория основывается на возможности представления возбуждаемого излучателями электромагнитного поля в виде мультипольного разложения, включающего поля электрического и магнитного типов [1]. Она уточняет сложившуюся к настоящему времени совокупность представлений о ближнеполевой электродинамике процесса излучения сложных систем.

Во-вторых, на подробное исследование фундаментальной проблемы, касающейся минимально достижимого значения добротности излучения произвольной излучающей системы. Отличительной чертой диссертационного исследования является то, что в нем последовательно рассмотрено влияние интерференционных потоков энергии на добротность излучения идеальной антенны и произведено уточнение фундаментального предела Чу для ненаправленных антенн с одномодовым излучением.

В-третьих, на демонстрацию возможности эффективного использования специфики формирования интерференционного потока энергии локализованной системы источников при решении задач зондирования сред.

Следует отметить, что итоги исследований за более чем 20-летний период развития теории и техники комбинированных излучающих систем не

демонстрируют признаваемой всеми исследователями стройной системы представлений в данной области. В частности, результаты ряда работ приводят, например, к выводу о том, что теоретически не исключается возможность разработки излучающих систем с добротностью излучения равной нулю [2, 3]. Этот вывод вызвал множество критических возражений, в том числе и ведущих специалистов в рассматриваемой области [4]. По этой причине создание высокоэффективных комбинированных излучающих систем вплоть до последнего времени подвергается сомнению со стороны ряда специалистов [5].

Однако, в 2010 году американская фирма Dockon сообщила [6, 7] об успешном завершении трехгодичных поисковых работ по разработке новой технологии изготовления плоских комбинированных антенн, названной «Compound РхМ Loop (CPL™)». Утверждается, что технология содержит ряд ключевых компонент, которые позволили преодолеть существовавшие до этого барьеры на пути создания комбинированных антенн. Вместе с тем, представляемое фирмой конспективное теоретическое обоснование существа технологии вызывает целый ряд вопросов. Общим недостатком существующих подходов является игнорирование роли интерференционных потоков энергии в ближней зоне излучающей системы. В тоже время, проведенные нами исследования указывают на фундаментальное значение процессов переноса энергии в ближней зоне. В частности, управление параметрами интерференционных потоков энергии позволяет в широких пределах регулировать добротность излучения и тем самым решать проблему создания эффективных широкополосных излучающих систем.

Цель диссертации - выявление особенностей формирования поля излучения комбинированных излучающих систем, на основе анализа взаимосвязи активных и реактивных компонент полей ближней зоны, а также возможностей использования этой взаимосвязи с целью уменьшения добротности излучения систем.

Задачи диссертационной работы:

1. Исследование модельных задач об электродинамических процессах, в ближней зоне ряда комбинированных излучающих систем и оценка на этой основе влияния распределения активных и реактивных компонент полей таких систем.

2. Анализ структуры интерференционных потоков энергии, образующихся за счет взаимосвязи активных и реактивных компонент полей в ближней зоне комбинированных излучающих систем, и поиск путей управления этими потоками.

3. Выявление закономерностей в формировании поля излучения таких систем и роли в них интерференционных потоков энергии с точки зрения уменьшения запаса реактивной энергии и снижения добротности излучения.

4. Исследование возможности получения более реалистичной оценки добротности излучения идеальной антенны в сравнении с известным фундаментальным пределом Чу.

5. Формулировка нового подхода к задачам электромагнитной совместимости и зондирования проводящих сред с использованием интерференционных потоков энергии.

Методы исследования.

Основываются на использовании строгих математических методов расчета электромагнитных полей заданных систем электрических и магнитных токов. Для представления полей в ближней и дальней зонах комбинированной излучающей системы используются мультипольные разложения. При расчете мощности излучения и диаграмм направленности таких систем применяется также метод электрических и магнитных векторных потенциалов. В процессе конструктивной проработки модели электрически малой антенны, содержащей петлевые спиральные излучающие элементы, применялись программные продукты 4NEC2 и CST Microwave Studio.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Действительный интерференционный поток энергии в ближней зоне комбинированной излучающей системы:

■ управляем изменением амплитудно-фазовых соотношений возбуждающих ее электрических и магнитных токов, что позволяет регулировать интегральные импедансные и направленные характеристики системы.

■ способствует увеличению ее мощности излучения вплоть до 65% по сравнению с суммарной мощностью отдельных излучателей, образующих комбинированную систему.

2. Корректная оценка предельно малой добротности идеального сферического излучателя, классически определяемая ранее

фундаментальным пределом Чу (¿мх -—г- + —, предусматривает поправку

{ка) ка

= —-—-, учитывающую запас энергии внутри излучателя, где ка -2 {ка)

электрический радиус излучателя.

Достоверность научных положений.

Выводы об условиях возникновения неизлучающего интерференционного потока энергии и его влиянии на добротность излучения и полосу согласования не противоречат современным фундаментальным представлениям о механизмах формирования таких потоков энергии [8, 9].

Возможность уменьшения суммарного запаса реактивной энергии следует из фундаментальной теоремы Пойнтинга для комплексных амплитуд поля. А обеспечение этой возможности путем использования интерференции реактивных компонент полей ближней зоны излучателей электрического и магнитного типов следует из результатов аналитического и численного исследования. При этом расширение полосы пропускания КИС с сохранением её направленных свойств подтверждено как численными

расчетами с использованием хорошо апробированного пакета программ 4Тч(ЕС2, так и экспериментальными результатами других авторов [10, 11].

Вытекающие из исследования интерференционных потоков энергии в ближней зоне комбинированной излучающей системы (глава 2) качественные выводы, количественные характеристики и научные рекомендации не противоречат уже имеющимся расчетным и экспериментальным результатам.

Достоверность полученных оценок для добротности излучения различных вариантов комбинированных излучающих систем (глава 3) подтверждена их полным согласием с известными оценками других авторов, полученными для частных случаев [4].

Корректная оценка для минимального значения добротности излучения одномодовой идеальной антенны в виде сферического излучателя (глава 4) согласуется с имеющимися в литературе подобными оценками, полученными другими методами [4].

Научная новизна работы заключается в следующем: автором впервые проведено последовательное рассмотрение влияния интерференционных потоков энергии как на мощность излучения КИС из неидентичных излучателей, так и на мощность излучения различных вариантов излучающих систем из идентичных излучателей. Установлено, что, управляя начальными фазами токов, можно добиться увеличения мощности излучения вплоть до 65% по отношению к суммарной мощности излучения уединенных излучателей, образующих систему.

Впервые исследовано влияние геометрической структуры КИС на ее добротность излучения. Показано, что уменьшить реактивную энергию КИС в ближней зоне, а, следовательно, расширить ее полосу согласования, можно путем управления начальными фазами и амплитудами токов, возбуждающих излучатели.

Методом, отличным от использованных ранее, получена уточненная оценка добротности излучения идеальной антенны в виде сферического излучателя [4].

Впервые теоретически продемонстрирована возможность использования интерференционных потоков энергии, формируемых в ближней зоне КИС, для зондирования сферически симметричных проводящих сред.

Научная ценность работы заключается в том, что

1. Получена более корректная оценка для добротности излучения сферической антенны. С учетом этой оценки значение добротности увеличивается на 26% по сравнению с добротностью, полученной ранее [4].

2. Доказана существенность влияния интерференционного взаимодействия одноименных активных и реактивных компонент полей ближней зоны на добротность излучения, а, следовательно, и на полосу пропускания КИС с сохранением ее направленных свойств.

3. Показана принципиальная возможность и важность управления безызлучательным переносом энергии в области интерференции активных и реактивных компонент поля ближней зоны КИС.

Практическая значимость:

-Выявленные в процессе теоретических исследований особенности формирования активных и реактивных интерференционных потоков энергии в ближней зоне КИС составляют основу для управления этими потоками в реальных конструкциях излучающих систем.

- Предложенная корректная оценка добротности излучения сферического излучателя является надежной основой для формулировки реалистичных требований к характеристикам вновь разрабатываемых малогабаритных антенн с широкой полосой пропускания.

- Продемонстрирована возможность использования интерференционных потоков энергии, формируемых в ближней зоне КИС, для зондирования сферически симметричных проводящих сред.

-Полученные физические закономерности легли в основу проекта, поддержанного региональным грантом РФФИ «Фундаментальные

ограничения в ближнеполевой электродинамике сложных излучающих систем» № 13-02-98025 (2013-2015г.).

Внедрение результатов диссертационной работы.

Результаты были использованы при выполнении следующих проектов: АВЦГТ «Физико-математическая модель радиотомографа» №2.1.2/12874 (2009-2011 г.); ЕЗН «Фокусировка волновых проекций неоднородных сред в сверхширокополосной радиотомографии скрытых объектов» № 1.10.09* (2009-2011г.); ФЦП «Радиолокационная томография удаленных объектов за диэлектрическими преградами» № П452 (2009-2011г.); ФЦП «Исследование волновых процессов в неоднородных средах и создание основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода синтезирования апертуры» № 14.740.11.0076 (2009-2011г.), региональный грант РФФИ «Фундаментальные ограничения в ближнеполевой электродинамике сложных излучающих систем» № 13-02-98025 (2013-2015г.). Результаты диссертационной работы целесообразно использовать в организациях, занимающихся применением широкополосных источников сигналов в системах радиосвязи и радиолокации, радиотомографии, в частности, в Томском государственном университете, Саратовском государственном университете, в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.

Апробация работы.

По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них 5 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 11 публикаций в материалах международных, всероссийских и региональных научных конференций.

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на пятнадцатой, шестнадцатой и семнадцатой Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых учёных - (Кемерово-Томск, 2009), (Волгоград, 2010), (Екатеринбург, 2011); на Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн -

ИРЭМВ-2009» - (Таганрог, 2009); на шестой конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора - (Томск, 2009); на Всероссийских радиофизических научных чтениях - конференции памяти Н.А. Арманда, секция: «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» - (Муром, 2010); на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике - (Владивосток, 2010); на третьей и четвертой Международных - научно-практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» - (Томск, 2010 и 2012); на шестой и седьмой Международных научно-практических конференциях «Электронные средства и системы управления» - (Томск, 2010 и 2011); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» - (Красноярск, 2011); на II Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» - (Томск, 2011); на X Международной научно-практической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» - (Самара, 2011).

Личный вклад автора.

Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, определении методов и подходов к их решению и анализе полученных результатов. Совместно с научным руководителем были разработаны конструкции макетов антенн и обсуждались идеи постановки и проведения экспериментальных исследований их характеристик.

Большая часть оригинальных научных результатов получены автором, как в части решения задач, так и в части анализа и обобщения решений. В частности, им проведено решение сформулированных теоретических задач, осуществлено их аналитическое исследование, проведен весь комплекс численных расчётов с использованием эффективных проблемно ориентированных пакетов программ 4NEC2 и CST Microwave Studio, проведен ряд экспериментов с различными макетами антенн, сформулированы выводы, обосновывающие достоверность решений,

обсуждены с руководителем вытекающие из проведенных теоретических исследований физические результаты. Совместно с научным руководителем развиты и конкретизированы научные рекомендации, вытекающие из результатов диссертационного исследования.

Структура и объем диссертации.

Работа состоит из введения, литературного обзора, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Общий объём диссертации 129 страниц машинописного текста, в том числе 41 рисунок, 11 страниц приложений и библиографический указатель из 89 наименований.

Настоящая работа выполнена на кафедре радиофизики Национального исследовательского Томского государственного университета.

1 Обзор литературы

Исследование фундаментальных ограничений теории антенн начинается с открытия сделанного, Уилером (H.A. Wheeler) в 1947 году [12]. Он впервые рассмотрел фундаментальные ограничения малых антенн с использованием простой модели, в которой небольшие антенны представляются сосредоточенными емкостями или индуктивностями и сопротивлением излучения. В попытке найти связь между размерами антенны и ее характеристиками излучения, им было введено понятие фактора мощности излучения (ФМИ) как отношение излучаемой мощности к реактивной мощности. Уилер был первым, кто отметил, что уменьшение размера антенны накладывает принципиальное ограничение на ее полосу согласования и сделал вывод, что ФМИ был прямо пропорционален физическому объему антенны. В какой-то степени можно сказать, что ФМИ был предшественником используемого сейчас понятия добротность излучения (Q). В модели Уилера Q является величиной, обратной ФМИ.

Работы Уилера были точны только в условиях приближения, при котором размеры антенны должны быть малы. Тем не менее, они послужили началом интенсивного изучения малых антенн и побудили многих последователей к изучению фундаментальных свойств и ограничений, предложенных в его работах, а также разработку реальных конструкций антенн.

В 1948 году Чу (L.J. Chu) вывел минимально возможное значение Q для всенаправленной антенны [13]. Он сделал это с помощью разложения вне математической сферы, окружающей антенну, выражая излучаемое поле в виде суммы сферических волн. Каждая мода при этом выражается через эквивалентные схемы. Хотя, Чу ограничил свой анализ лишь исследованием всенаправленной антенны, его вклад послужил основой для многих будущих авторов, которые проводили исследования по уточнению полученных им

ограничений. Выражение Чу для расчета минимальной Q было позже упрощено Хансеном (R.C. Hansen) [14] (1981). Харрингтон (R.F. Harrington) [15] (1960) проделал большую часть анализа Чу и был первым, кто рассмотрел антенны, излучающие ТЕ и ТМ -моды. Его работы в результате привели к снижению минимальных значений Q.

При анализе, проведенном Чу и Харрингтоном, рассматриваются эквивалентные схемы, описывающие каждый режим генерации. Коллин (R.E. Collin) и Ротшильд (S. Rothschild) (1964) проводили расчет точного значения добротности излучения Q [16] для антенны только в ТМ или ТЕ режимах и обнаружили, что минимальное значение Q возможно для идеальных антенн. Их анализ был позднее обобщен Фанте (R.L. Fante) [17], который рассмотрел возбуждение обеих ТЕ и ТМ мод, и получил точное выражение Q для их произвольной конфигурации.

Маклин (J.S. McLean) (1996) [18] использовал другой метод для расчета Q, и его результаты согласовывались с результатами, приведенными

Коллином и Ротшильдом. В результате своих исследований он отметил, что метод Уилера был слишком грубым приближением, а эквивалентные схемы в приближение Чу, не были точны, чтобы достаточно точно установить фундаментальные ограничения для Q.

Позже Фольц (H.D. Foltz) и Маклин (1999) [19] признали, что полученные ими ограничения для значения Q, при проверке не были близки к известным значениям для многих антенн, особенно для диполей. В результате они повторили анализ Чу, но пользовались в расчетах уже не сферой, а вытянутым сфероидом. Таким образом, они добились более точного представления геометрии многих моделей антенн, например, диполей. Также в этих работах были получены минимально возможные значения Q для антенн, заключенных в такой вытянутый сфероид, в предположении возбуждения только ТМ или только ТЕ режимов. Фольц и Маклин показали, что Q увеличивается по мере того, как сфероид

16

становится уже, тем самым еще больше укрепляя концепцию о том, что Q

является величиной, обратно пропорциональной физическому объему антенны.

Тхиль (G.A. Thiele) (2003) отметил, что точная нижняя граница, полученная в более ранних работах, была далека от действительного значения добротности излучения. Он высказал гипотезу, что распределение тока в антенне оказывает сильное влияние на значение Q [20]. Согласно его методу определения, нужно использовать концепцию супернаправленности, таким образом, его анализ был уникален тем, что определение Q ведется с использованием полей дальней зоны. Тхиль применил свой подход к дипольной антенне, имеющей неоднородное распределение возбуждающих ее токов.

В последнее время группа ученых, возглавляемая Бестом (S.R. Best) и Ягджианом (A.D. Yaghjian) (2003-2008), очень активно занимается как теоретическими проблемами фундаментальных ограничений, так и разработкой реальных конструкций излучающих систем с оптимальными параметрами [21-26]. Бест, в основном, занимается теоретическими исследованиями точных и приближенных выражений для добротности излучения, а также ее взаимосвязью с полосой согласования [21]. Также рассматривает специфичные резонансные проволочные антенны, которые в своих значениях Q приближаются к предельным. Бест на примере сложной

сферической спиральной антенны смог практически достичь минимально возможного значения Q для одномодового режима излучения антенны [24].

Подобную антенну предложил десятилетиями ранее Уилер [27].

В то время, как большинство теоретических работ сосредоточены на поиске физического ограничения на добротность излучения антенны, Квон (D.H. Kwon) и Позар (D.M. Pozar) (2005-2009) отметили, что многие авторы не были последовательны в определении ТЕ и ТМ режимов, коэффициента усиления антенны и добротности излучения. Квон решил учесть недочеты

других авторов, и провел обширное аналитическое исследование коэффициента усиления и добротности излучения, рассмотрев электрические и магнитные диполи в различных конфигурациях [28, 29]. Позар подвел итоги работы Квона и других авторов [30].

Тхал (H.L. Thal) (2006-2009) задался целью определить более точное значение Q для сферических антенн, на поверхности которых задаются распределения токов, излучающих как ТЕ, так и ТМ моды [31]. Его работа продолжает подход Чу с использованием эквивалентных схем. Новой идеей является введение дополнительной эквивалентной схемы, которая описывает запасенную энергию внутри сферы (ранее предполагалось у Чу и у других авторов, что этот запас равен нулю). Было обнаружено, что для спиральной антенны, исследуемой Бестом, Тхал получил идентичный минимальный предел для добротности излучения [24]. Тхал демонстрирует взаимосвязь между коэффициентом усиления, добротностью излучения и энергией, запасенной внутри сферы, и приходит к выводу, что это зависимые друг от друга величины [32].

В более поздних работах Густафссона (М. Gustafsson) и его коллег (2007) [33] были получены выражения для добротности излучения антенн, имеющих произвольную форму. В частности, Густафссон использовал подход, радикально отличающийся от подходов предшествующих авторов, и использовал теорию рассеяния. Эти работы показывают, что точное вычисление коэффициента усиления и добротности излучения при ограничениях, накладываемых на геометрию антенн, таких как вытянутый и сплюснутый сфероид, диски, иглы и цилиндры, теперь возможно осуществить с использованием численных расчетов.

В следующих разделах мы остановимся на рассмотрении вышеупомянутых работ более подробно.

1.1 Основы, заложенные Уилером

У ил ер исследовал ограничения теории антенн в [27], отталкиваясь от анализа свойств сферической антенны. Он представил фундаментальные ограничения теории антенн с использованием модели с сосредоточенными элементами, которые точно соответствуют работам более поздних авторов, основанных на более тщательном анализе поля. В 1975 в его обзорной работе «Эффективный объем» [34] подчеркивается важность сферических антенн. Большая часть работ Уилера была проанализирована и проверена с использованием компьютерного моделирования в работе [11], а позднее и многих других работах.

Используя концепцию, что антенна представляется как сосредоточенный конденсатор или катушка индуктивности и сопротивление излучения, Уилером выражены эти параметры в терминах модифицированных версий хорошо известных формул емкости, индуктивности и сопротивления. Основной вывод, сделанный Уилером, что антенны обратно пропорциональна ее физическому объему.

Уилер получил два важных предельных случая для теории антенн. Для катушки с бесконечной проницаемостью он дал характеристики излучения, в виде ИЬ-цепи, признавая тем самым, что в данной системе возбуждаются волны типа 7Е10. А при бесконечной проницаемости поверхности сферы и нулевом значении запасенной энергии внутри нее, он достиг предельного значения для (), которое имеет вид

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Запасной, Андрей Сергеевич

Заключение

В работе теоретически изучены различные аспекты проблемы широкополосного согласования излучающих систем. Анализ условий согласования излучающей системы позволил высказать предположение о том, что один из приемов минимизации запаса реактивной энергии в ближней зоне излучающей системы требует обеспечения той или иной взаимосвязи возбуждаемых системой полей электрического и магнитного типов.

Исследованы локальные характеристики интерференционного потока энергии в модели КИС, состоящей из излучателей электрического и магнитного типов. Интерференционный поток энергии определяется суммой трех составляющих. Первая из них является действительной вне зависимости от фазировки излучателей и, таким образом, описывает безызлучательный интерференционный перенос энергии между ними. Если начальные фазы моментов излучателей равны, то вторая составляющая также действительна, однако имеет существенно отличную зависимость от электрического расстояния между ними. Третья составляющая является чисто мнимой. Она значительно слабее зависит от этого расстояния и описывает интерференционное колебательное движение части энергии, «связанной» с излучателями.

Анализ показал, что в модели КИС, содержащей вибраторы, структура общего интерференционного потока энергии является гораздо более сложной, вследствие существования центров излучения из узлов питания вибраторов и их концов.

Из сказанного следует, что с интерференцией реактивных компонент полей ближней зоны излучателей электрического и магнитного типов, составляющих в совокупности КИС, связано уменьшение суммарного запаса реактивной энергии и расширение полосы согласования.

Доказано, что при использовании КИС можно добиться увеличения мощности ее излучения вплоть до 65%, по сравнению с суммарной мощностью уединенных излучателей. Этот факт очень важен и может трактоваться как фундаментальный предел для максимального увеличения мощности излучения КИС.

Всем изложенным выше демонстрируется реальная возможность в широкой полосе частот управлять безызлучательным переносом энергии в ближней зоне КИС. Это осуществимо путем изменения амплитудно-фазовых соотношений возбуждающих излучатели электрического и магнитного типов.

Теоретическое исследование ряда моделей КИС показало существенное влияние интерференционных потоков на добротность излучения таких систем. Также продемонстрировано и обосновано, что при конструировании и использовании КИС важную роль играет выбор пространственной ориентации излучателей, входящих в состав этой системы; выбор амплитудно-фазовых соотношений, возбуждающих излучатели, и степень наполняемости объема, который предоставляется под размещение системы. Доказано, что для уменьшения добротности излучения обязательным является наличие, как минимум, одного излучателя электрического типа и одного излучателя магнитного типа.

На примере анализа взаимодействия встречных полей двух излучателей электрического типа показана принципиальная возможность практического использования интерференционных потоков в задачах зондирования проводящих сред.

Получены общие соотношения для добротности излучения произвольной антенны. В результате тестирования этих соотношений на различных моделях антенн доказано, что необходимо учитывать запас энергии внутри объема, ограничивающего излучающую систему. Это связано в первую очередь с тем, чтобы получать более реальные значения для добротности излучения при конструировании реальных антенных систем. На

основании этого произведена модификация фундаментального предельного соотношения для добротности в случае сферического излучателя. На основе полученных результатов была смоделирована расчетная модель антенны с применением двух пакетов прикладных программ. Затем на основании полученных, в результате численного моделирования, данных была собрана экспериментальная модель антенны.

Показана возможность применения полученных в работе теоретических знаний на практике, при конструировании широкополосных излучающих систем малого размера с учетом взаимодействия полей ближней зоны и учета запаса энергии внутри сферического объема, ограничивающего излучающую систему.

Также в процессе математических выкладок был получен ряд соотношений, которые имеют математическую ценность и приводятся в приложении 2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Запасной, Андрей Сергеевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. 'Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин. - М.: Радио и связь. 1983. 296 с.

2. Grimes D.M. The Poynting theorem and the potential for small antennas / D.M. Grimes, C.A. Grimes // Proc. IEEE Aerospace Conf. 1997. V. 3. P. 161-176.

3. Grimes C.A. Characterization of a Wideband, Low-Q, Electrically Small Antenna / C. A. Grimes, L. Gang, D. M. Grimes // Microwave and Optical Technology Letters. 2000. V.27. №1. P.53-58.

4. Hansen R.C. Small Antenna Handbook / R.C. Hansen, R.E. Collin. - New Jersey: John Wiley & Sons. 2011. 340 p.

5. Davis W. A. Fundamental limits on antenna size: a new limit / W. A. Davis, T. Yang, E.D. Caswell, W. L. Stutzman // Microwaves, Antennas and Propagation, IET. 2011. V. 5. № 11. P. 1297-1302.

6. Forrest J.B. Self-contained counterpoise compound loop antenna: пат. № 8164528 США, МПК H01Q21/00, H01Q11/12.

7. Forrest J.B. Self-contained counterpoise compound loop antenna: пат. № 8144065 США, МПК H01Q7/00, H01Q21/00.

8. Сидоренков В.В. Интерференционное энергетическое взаимодействие дипольных электромагнитных излучателей / В.В. Сидоренков, В.В. Толмачёв // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 1992. № 1. С. 43-56.

9. Афанасьев С.А. Потоки энергии при интерференции электромагнитных волн / С.А. Афанасьев, Д.И. Семенцов // Успехи физических наук. 2008. Т. 178. №4. С. 377-384.

10. Yaghjian A.D., Best S.R. Impedance, bandwidth, and Q of antennas / A.D. Yaghjian, S.R. Best // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. April 2005. V. AP-53. P. 1298-1324.

11. Lopez A.R. Fundamental limitations of small antennas: validation of Wheeler's formulas // IEEE Antennas and Propagation Magazine. August 2006. V. 48. № 4. P. 28-36.

12. Wheeler H.A. Fundamental limitations of small antennas // Proceedings of the IRE. 1947. V. 35 P. 1479-1484.

13. Chu L.J. Physical limitations of omnidirectional antennas // Journal of Applied Physics. 1948. V. 19. P. 1163-1175.

14. Hansen R.C. Fundamental limitations in antennas // Proceedings of the IEEE. 1981. V. 69. № 2. P. 170-182.

15. Harrington R.F. On the gain and beamwidth of directional antennas // IRE Transactions on Antennas and Propagation. 1958. V. 6. № 7. P. 219-225.

16. Collin R.E., Rothschild S. Evaluation of Antenna Q // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1964 V. AP-12. P. 23-27.

17. Fante R. Quality Factor of General Ideal Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1969. V. AP-17. P. 151-155.

18. McLean J.S. A re-examination of the fundamental limits on the radiation Q of electrically small antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1996. V. 44. № 5. P. 672-676.

19. Foltz H.D. Limits on the radiation Q of electrically small antennas restricted to oblong bounding regions / H.D. Foltz, J.S. McLean // Proc. IEEE Antennas and Propagation Int. Symp. 11-16 July 1999. V. 4. P. 2702-2705.

20. Thiele G.A. On the lower bound of the radiation Q for electrically small antennas / G.A. Thiele, P.L. Detweiler, R.P. Penno // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2003. V. 51. № 6. P. 1263-1269.

21. Best S.R. The performance properties of electrically small resonant multiplearm folded wire antennas // IEEE Antennas and Propagation Magazine. August 2005. V.47. № 4. P. 13-27.

22. Best S.R. Bandwidth and the lower bound on Q for small wideband antennas // IEEE International Symposium on Antennas and Propagation. 2006. P. 647-650.

23. Best S.R. The radiation properties of electrically small folded spherical helix antennas. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2004. V. 52. № 4. P. 953-960.

24. Best S.R. Low Q electrically small linear and elliptical polarized spherical dipole antennas. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2005. V. 53. № 3. P. 1047-1053.

25. Best S.R. On the significance of current vector alignment in establishing the resonant frequency of small space-filling wire antennas / S.R. Best, J.D. Morrow // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters. 2003. V. 2. P. 201-204.

26. Wheeler H.A. The spherical coil as an inductor, shield, or antenna // Proceedings of the IRE. September 1958. V. 46. P. 1595-1602.

27. Kwon D.H. On the radiation Q and the gain of crossed electric and magnetic dipole moments // IEEE Trans. 2005 V. AP-53. № 5. p. 1681-1687.

28. Kwon D.H. Radiation Q and gain of TM and TE sources in phase-delayed rotated configurations // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. August 2008. V. AP-56. P. 2783-2786.

29. Pozar D.M. New results for minimum Q, maximum gain, and polarization properties of electrically small arbitrary antennas // EuCAP 2009. Berlin, Germany. March 2009. P. 23-27.

30. Thai H.L. New radiation Q limits for spherical wire antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. October 2006. V. AP-54. P. 27572763.

31. Thai H.L. Gain and Q bounds for coupled TM-TE modes // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. July 2009. V. AP-57. № 7. P. 18791885.

32. Gustafsson M., Sohl C., Kristensson G. Physical limitations on antennas of arbitrary shape / M. Gustafsson, C. Sohl, G. Kristensson // Proceedings of the Royal Society A: Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2007. V. 463. P.2589-2607.

33. Wheeler H.A. Small antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. July 1975. V. 23. P. 462-169.

34. Hansen R.C. Electrically Small, Superdirective, and Superconducting Antennas / R.C. Hansen. - New Jersey: John Wiley and Sons. 2006. 168 p.

35. Сидоренков B.B. Направленность излучения антенны и интерференционные преобразователи мод электромагнитных полей / В.В. Сидоренков, В.В. Толмачёв // Известия Академии Наук. Серия физическая. 1997. Т. 61. № 12. С. 2370-2378.

36. Сидоренков В.В. Негармонический дипольный излучатель в произвольном внешнем электромагнитном поле/ В.В. Сидоренков, В.В. Толмачёв, С.В Федотова // Известия Академии Наук. Серия физическая. 2001. Т. 65. № 12. С. 1776-1782.

37. Koshelev V.l. High-power ultrawideband electromagnetic pulse radiation / V.l. Koshelev, Y.I. Buyanov, B.M. Kovalchuk, Yu.A. Andreev, V.P. Belichenko,

A.M. Efremov, V.V. Plisko, K.N. Sukhushin, V.A. Vizir, V.B. Zorin // Proc. SPIE. 1997. V. 3158. P. 209-219.

38. Беличенко В.П. О возможности расширения полосы пропускания малогабаритных излучателей / В.П. Беличенко, Ю.И. Буянов, В.И. Кошелев,

B.В. Плиско // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 2. С. 178-184.

39. Федянович В.И. О предельной широкополосности излучателей // Антенны. 2008. Вып. 1 (128). С.3-17

40. Колоколов A.A. Интерференция реактивных компонент электромагнитного поля / A.A. Колоколов, Г.В. Скроцкий // УФН. 1992. Т. 162. № 12. С.165-174.

41. Кюн Р. Микроволновые антенны / Р. Кюн. - Л. : Судостроение. 1967. 518 с.

42. Марков Г.Т. Антенны / Г.Т. Марков. - M.-JI. 1960. 535 с.

43. Стрэттон Дж. Теория электромагнетизма. Перевод с английского М.С. Рабиновича и В.М. Харитонова. Под ред. С.М. Рытова / Дж. Стрэттон. - МЛ. 1948. 539 с.

44. Марков Г.Т. Антенны: учебник для вузов / Г.Т. Марков, Д.М. Сазонов. -М.: Энергия. 1975. 528 с.

45. Абрамовиц М. Справочник по специальным функциям / М. Абрамович [и др.]; под редакцией М. Абрамовича, И. Стигана. - М.: Наука. 1979. 832 с.

46. Лебедев Н.Н. Специальные функции и их приложения / Н.Н. Лебедев. -М.-Л.: Физматиз. 1963. 358 с.

47. Harrington R.F. Effect of antenna size on gain, bandwidth, and efficiency // Journal of Research of the National Bureau of Standards. 1960. V. 64D. № 1. P. 112.

48. Описание кода NEC-2. Режим доступа: http://www.nec2.org (дата последнего обращения 25.09.2010).

49. Руководство по эксплуатации «Измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения Р4М-18». Режим доступа: http://www.priborelektro.ru/download/to/R4M-18.pdf (дата последнего обращения 05.04.2013).

50. Шварцбург А.Б. Туннелирование электромагнитных волн - парадоксы и перспективы // Успехи физических наук. 2007. Т. 177. № 1. С. 43-58.

51. Карабутов А.А. Интерференция встречных продольных акустических волн в изотропной поглощающей пластинке и периодической структуре с дефектами / А.А. Карабутов, В.В. Кожушко, И.М. Пеливанов, Г.С. Митюрич // Акустический журнал. 2001. Т. 47. № 6. С. 816-822.

52. Кожушко В.В. Лазерная оптико-акустическая диагностика слоистых сред // автореферат диссертации канд. ф.-м. наук по специальности 01.04.06 -акустика. М. 2004. 17 с.

53. Заявка на изобретение № 200912779 // Б.И. - 2011. - № 3.

54. Rothwell Е. Computation of the logarithm of Bessel functions of complex argument // Communications in Numerical Methods in Engineering. 2005. V. 4. P.597-605.

55. Скучик E. Основы акустики. Т. 2. / E. Скучик. - M.: Мир. 1976. 544 с.

56. Запасной А.С. Интерференционные потоки энергии в спирально проводящей сфере малых электрических размеров // Материалы пятнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-15), Кемерово-Томск. 2009. С. 568-569.

57. Беличенко В.П., Якубов В.П., Запасной A.C. Добротности излучения электрически малых антенн и интерференционные потоки энергии в комбинированных антеннах // Материалы Международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн - ИРЭМВ-2009». Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2009. С. 129-134.

58. Запасной A.C. Интерференционные потоки энергии в модели комбинированной антенны // Материалы шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-16), г. Волгоград. 2010. С. 553-554.

59. Запасной A.C. Интерференция реактивных компонент электромагнитного поля в комбинированных электрически малых антеннах // Труды шестой конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора, г. Томск. 2009. С. 56-63.

60. Беличенко В.П. Использование особенностей формирования поля ближней зоны комбинированной антенны для улучшения её характеристик широкополосности / В.П. Беличенко, В.П. Якубов, A.C. Запасной // Труды «Всероссийские радиофизические научные чтения-конференции памяти H.A. Арманда», секция: «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике», г. Муром. 2010. С. 247-251.

61. Запасной A.C. Интерференционный поток энергии системы из двух излучающих диполей // Материалы Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике, г. Владивосток. 2010. С. 16-17.

62. Запасной A.C. Интерференционные потоки мощности излучения системы из двух электрических диполей / A.C. Запасной, В.П. Беличенко // Известия вузов. Физика. 2010. № 9/2. С. 112-113.

63. Беличенко В.П. Конкурирующие интерференционные потоки энергии в комбинированных антеннах и их влияние на полосу пропускания и мощность излучения / В.П. Беличенко, В.П. Якубов, A.C. Запасной // Известия вузов. Физика. 2010. №9/2. С. 110-111.

64. Запасной A.C. Добротность излучения сферического излучателя / A.C. Запасной, В.П. Беличенко // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, г. Томск. 2010. 2(22). Часть 2. С. 54-57.

65. Запасной A.C. Интерференционные потоки энергии в малоэлементных антенных решетках / A.C. Запасной, А.П. Лопатина, В.П. Беличенко // Современные проблемы радиоэлектроники: сб. науч. тр. - Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. С. 310-314.

66. Запасной A.C. Интерференционные потоки мощности излучения систем из элементарных излучателей / A.C. Запасной, А.П. Лопатина // Материалы семнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых учёных (ВНКСФ-17), г. Екатеринбург. 2011. С. 489-490.

67. Запасной A.C. Влияние пространственной конфигурации и фазировки элементов комбинированной антенны на добротность излучения / A.C. Запасной, А.П. Лопатина, В.П. Беличенко // Материалы II Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии», г. Томск. 2011. С. 86-87.

68. Запасной A.C. Зависимость добротности излучения комбинированной антенны от пространственной конфигурации и фазировки ее элементов / A.C. Запасной, В.П. Беличенко // X Международная научно-практическая конференция "Физика и технические приложения волновых процессов", г. Самара. 2011. С. 75-76.

69. Беличенко В.П. Электрически малые антенны: проблемы, сомнения, новые результаты / В.П. Беличенко, A.C. Запасной // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, г. Томск. 2011. 2(24). Часть 1. С. 186-189.

70. Беличенко В.П. Ближнеполевая электродинамика комбинированных антенн / В.П. Беличенко, A.C. Запасной // Известия вузов. Физика. 2012. №8/2. С. 62-63.

71. Сверхширокополосные антенны: Сборник переводов под редакцией канд. техн. наук JI.C. Бененсона. - М.: Мир. 1964. 416 с.

72. Градштейн И.С. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. Изд. 5-е. / И.С. Градштейн, И.М. Рыжик. - М.: Наука. 1971. 1108 с.

73. Гольдштейн Л.Д. Электромагнитные поля и волны. Изд. 2-е перераб. и доп. / Л.Д. Гольдштейн, Н.В. Зернов. - М.: Советское радио. 1971. 662 с.

74. Буянов Ю.И. Активные антенны / Ю.И. Буянов, В.П. Смирнов. -Томск: Изд-во ТГПИ. 1976. 90с.

75. Collin R.E. Minimum Q of small antennas // J. Electromagn. Waves Applicat. 1998. V. 12. № 10. P. 1369-1392.

76. Grimes D.M. Minimum Q of electrically small antennas. A critical review / D.M. Grimes, C.A. Grimes // Microwave Opt. Tech. Lett. 2001. V. 28. № 2. P. 172-177.

77. Шаманов A.H. Способ увеличения полосы частот диполя. Частотно-независимый диполь // Антенны. 2001. В. 1 (47). С. 24-30.

78. Bakhrakh L.D. Ultra wideband dipole antenna / L.D. Bakhrakh, V.F. Los, A.N. Shamanov // Radio Physics and Radio Astronomy. 2002. V. 7. № 4. P. 368371.

79. Geyi W. Physical limitations of antenna // IEEE Trans, on Antennas and Propag. 2003. V. 51. № 8. P. 2116-2123.

80. Geyi W. A method for the evaluation of small antenna // IEEE Trans, on Antennas and Propag. 2003. V. 51. № 8. P. 2124-2129.

81. Schantz H. The Art and Science of Ultrawideband Antennas / H. Schantz. -Boston, London: Artech House. 2005. 331 p.

82. Слюсар В. 60 лет теории электрически малых антенн // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. С. 10-19.

83. Федянович В.И. Пределы широкополосности излучателей, выполненных в виде многозаходной спирали на сферической поверхности. // Антенны. 2007. В. 8 (123). С. 18-25.

84. Беличенко В.П., Литвинов С.Н., Запасной A.C. Исследование характеристик низкопрофильной конической спиральной антенны круговой поляризации // Труды Всероссийской НТК «Радиовысотометрия-2007», г. Каменск-Уральский. 2007. С. 171-173

85. Balzovsky E.V., Buyanov Y.I., Kim Yong-Jin, Koshelev V.l., Kwon Do-Hoon, Lee Seong-Soo, Small ultra wideband antenna having unidirectional radiation pattern. Патент США № 7589686. МПК H01Q21/00.

86. Kim O.S. Electrically Small Magnetic Dipole Antennas With Quality Factors Approaching the Chu Lower Bound / O.S. Kim, O. Breinbjerg, A.D. Yaghjian // IEEE Trans, on Antennas and Propag. 2010. V. 58. № 6. P. 18981906.

87. Yaghjian A.D. Lower Bounds on the Q of Electrically Small Dipole Antennas / A.D. Yaghjian, H.R. Stuart // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 10. P. 3114-3121.

88. Stuart H.R. Approaching the Lower Bounds on Q for Electrically Small Electric-Dipole Antennas Using High Permeability Shells / H.R. Stuart, A.D. Yaghjian // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010. V. 58. № 12. P. 3865-3872.

89. Thal H.L. Polarization, Gain, and Q for Small Antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2011. V. 59. № 12. P. 4844-4848.