Випромінювання електромагнітних хвиль конформними сферичними антенами - Автореферат

Великий інтерес до таких антен пояснюється тим, що вони широко використовуються у системах сучасного локального, мобільного і аерокосмічного звязку та в радіолокації. Вони мають необхідні механічні та температурні характеристики, можуть випромінювати хвилі з лінійною, круговою та еліптичною поляризацією, дозволяють працювати у двохчастотних та багаточастотних режимах роботи, можуть бути обєднані у фазовані антенні решітки, і треба підкреслити, що вони можуть бути розміщені на поверхнях складної форми. Незважаючи на невелику випромінюючу потужність високочастотного пристрою мобільного телефону (приблизно 600 МВТ у вільному просторі), велика увага приділяється зараз дослідженню того, яка частина цієї потужності поглинається в тілі користувача. При цьому основною метою дослідження є: (а) зведення електродинамічних крайових задач, які описують випромінювання хвиль антенами, до систем алгебраїчних рівнянь, які допускають стабільний розвязок, (б) розробка та тестування ефективних чисельних алгоритмів розвязку таких рівнянь, (в) розрахунок полів випромінювання сферичних конформних МСА та фізичний аналіз залежностей їх характеристик від параметрів задачі, а також (г) розрахунок потужності поля, яка поглинається у частково екранованій шаровій кулі з утратами. Тому у даній роботі розглянуті наступні задачі: а) випромінювання хвиль дисковою сферичною друкованою антеною, яка збуджується аксіально-симетрично за допомогою елементарного радіального електричного диполя як моделі коаксіального зонда, б) випромінювання хвиль дисковою сферичною друкованою антеною, яка збуджується елементарним тангенціальним магнітним диполем, який моделює щілину в основі та розташований на вісі симетрії антени, в) поглинання електромагнітних хвиль у двохшаровій частково екранованій діелектричній кулі, яка збуджується радіальним електричним диполем, розташованим над зовнішньою поверхнею екрану на його вісі симетрії.У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовані мета і задачі дослідження, наведена загальна характеристика дисертації.У другому підрозділі коротко розглянуті основні існуючі теоретичні інструменти, які можна використовувати для аналізу МСА, а саме, методи спрощених фізичних моделей і прямі чисельні методи. Розкладуючи компоненти електромагнітного поля у ряди по сферичним хвильовим функціям, можна звести задачу до рівнянь у парних рядах (РПР) по приєднаним функціям Лежандра. Процедура аналітичної регуляризації РПР засновується на відокремленні в них такої частини, яка відповідає статичній задачі для ІП сферичного диску з кутовим розміром До нього входять рівняння Максвела всюди поза провідників та границь розділу, граничні умови на ІП диску, умови неперервності на границях розподілу - у тому числі на поверхні, яка доповнює диск до повної сферичної поверхні того же радіусу, умови випромінювання Сильвера-Мюллера та умова локальної інтегрованості енергії поля. Вона означається такими факторами, як (1) низькочастотний резонанс кулі-основи, (2) резонанси у просторі між основою та диском, а також (3) періодичні резонанси малої амплітуди у сферичному діелектричному шарі, які пояснюються стоячими квазі-поверхневими хвилями шару та мають таку ж саму природу, що і відомий ефект «шепочущої галереї».Випромінювання хвиль сферичними конформними МСА досліджено у строгій постановці за допомогою МАР, алгоритми якого мають гарантовану збіжність та контрольовану точність розвязку. Розроблений комплекс MATLAB-програм, який реалізовує алгоритми розрахунку МСА з невеликими витратами машинного часу та памяті. Показано, що складний резонансний характер випромінювання сферичних конформних МСА обумовлений трьома явищами: (1) слабким низькочастотним резонансом ІП кулі-основі, (2) інтенсивними резонансами у просторі під сферичним диском та (3) високочастотними періодичними резонансами на стоячих квазі-поверхневих хвилях діелектричного шару, що є подібні до резонансів «шепочущої галереї».

Основний зміст роботи

1. Випромінювання хвиль сферичними конформними МСА досліджено у строгій постановці за допомогою МАР, алгоритми якого мають гарантовану збіжність та контрольовану точність розвязку.

2. Розроблений комплекс MATLAB-програм, який реалізовує алгоритми розрахунку МСА з невеликими витратами машинного часу та памяті.

3. Проаналізовані основні фізичні характеристики досліджуваних МСА: ДС випромінювання у дальній зоні, опір (провідність) випромінювання, КСД, напрямок головного максимуму ДС. Досліджено, як відносна товщина діелектричної підкладки

IMG_075da301-93dd-43f1-a0e3-86cee10d010e , її діелектрична проникність

IMG_e11748d5-089a-4524-9115-45a5aafb76e6 та кутовий розмір сферичного диску

IMG_5d448f5b-e6f4-499d-925d-10b93aa37a81 впливають на випромінювання та на вхідний опір антен.

4. Показано, що складний резонансний характер випромінювання сферичних конформних МСА обумовлений трьома явищами: (1) слабким низькочастотним резонансом ІП кулі-основі, (2) інтенсивними резонансами у просторі під сферичним диском та (3) високочастотними періодичними резонансами на стоячих квазі-поверхневих хвилях діелектричного шару, що є подібні до резонансів «шепочущої галереї».

5. Показано, що при певній частоті, яка залежить від товщини і діелектричної проникності підкладки, виникає «переворот» максимуму ДС у задній напівпростір. Це явище обумовлене хвилями «шепочущої галереї» та збудженням струмів у задній частині основи.

6. Показано, що рівень потужності, яка поглинається у частково екранованої двохшарової діелектричної кулі, яка служить моделлю голови людини у захисному шоломі, обладнаному стрижневою антеною, можна знизити у 100 разів, коли екран має вигляд півкулі.

1. Radchenko V.V., Nosich A.I., Daniel J.-P., Vinogradov S.S. A conformal spherical-circular microstrip antenna: axisymmetric excitation by an electric dipole // Microwave and Optical Technology Letters. - 2000. - Vol. 26, №3. - P. 176-182.

2. Радченко В.В., Носич А.И., Даниэль Ж.-П., Виноградов С.С. Излучение дипольной антенны на поверхности частично экранированной слоистой сферы, осесимметричный случай // Радиофизика и электроника, Харьков: ИРЭ НАНУ. - 2000. - Т. 5, №1. - С. 42-48.

3. Радченко В.В. Излучение сферической микрополосковой антенны, возбуждаемой щелью // Радиофизика и электроника. - Харьков: ИРЭ НАНУ. - 2002. Т. 7, №1. - C. 62-70.

4. Радченко В.В. Поглощение электромагнитной энергии дипольной антенны частично экранированным двухслойным частично экранированным шаром // Вісник Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна. - 2005. - №712. - C. 62-66.

5. Radchenko V.V. Modeling a spherical patch antenna axisymmetrically excited by a radial probe // Proc. Int. Conf. Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET*98). - Kharkiv (Ukraine). -1998. - P. 769-771.

6. Radchenko V.V., Nosich A.I., Daniel J.-P. Exact mathematical model of conformal spherical disk antenna // Proc. Int. Conf. Optique Hertzienne et Dielectriques (OHD-99). - Besanson (France). - 1999. - P. A21-A24.

7. Radchenko V.V., Nosich A.I., Vinogradov S.S., Daniel J.-P. Exact mathematical model of conformal spherical disk antenna // Proc. General Assembly of URSI. - Toronto (Cnanada). - 1999. - P. 83.

8. Radchenko V.V., Nosich A.I., Daniel J.-P., Vinogradov S.S. Modeling of a slot-excited spherical circular microstrip antenna // Proc. Int. Conf. Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET*2000). - Kharkiv (Ukraine). -2000. - P. 203-205.

9. Radchenko V.V. A conformal spherical-circular microstrip antenna excited by slot // Proc. Int. Symp. Nice on Antennas (JINA-02). - Nice (France). - 2002. - P. 395-398.

10. Radchenko V.V., Nosich A.I. Electromagnetic absorption by a partially screened double-layer lossy dielectric sphere axisymmetrically excited by an electric dipole // Proc. Int. Symp. Physics and Engineering of Microwaves, MM, and Sub-MM Waves (MSMW-04). - Kharkiv (Ukraine). - 2004. - P. 308-310.

11. Radchenko V.V. Modeling of a dipole antenna on a partially screened double-layer lossy dielectric sphere // Digest of Int. Conf. «Days on Diffraction» (DOD’2004). - St. Petersburg (Russia). - 2004. - P. 62.

12. Radchenko V.V., Simplified model of electromagnetic energy absorption in the head of a dipole antenna user protected by a metal helmet // Proc. Int. Conf. on Mathematical Methods in Electromagnetic Theory (MMET*04). - Dniepropetrovsk (Ukraine). - 2004. - P. 289-291.

13. Radchenko V.V., Sauleau R., Nosich A.I., Effect of metallic helmet on the microwave absorption in a spherical phantom of a dipole antenna user head // Proc. Asia-Pacific Microwave Conf. (APMC-06). - Yokohama (Japan). - 2006.-Vol. 1.-P. 548-551.

Размещено на .ru