WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Материалы диссертационной работы вошли в монографию «Расчет диаграммы направленности с помощью метода обобщенных матриц рассеяния. Математические методы прикладной электродинамики»: Монография. – М.: Радиотехника, 2007.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Разработанный метод расчета антенных систем с помощью обобщенных матриц рассеяния позволяет повысить эффективность проектирования для антенн различных типов.
  2. Предложенная форма представления обобщенной матрицы рассеяния в виде девяти подматриц позволяет упростить процедуру расчета параметров сложных антенных систем.
  3. Методика расчета обобщенных матриц рассеяния и характеристик составных антенных систем через обобщенные матрицы рассеяния их элементов позволяет формализовать анализ их параметров и сократить время расчета.
  4. Расчет антенных систем из двух вибраторов с помощью обобщенных матриц рассеяния предложенный в качестве тестовой задачи позволяет получить зависимости основных характеристик антенных систем, оценить точность полученных результатов в зависимости от использованного в расчетах числа сферических гармоник.
  5. Расчет взаимодействия рамочной антенны с диэлектрическим шаром с помощью обобщенных матриц рассеяния позволяет сделать выводы о влиянии положения антенны, изменения ее характеристик при изменении диэлектрической проницаемости шара, что закладывает основы для расчета полей, в том числе и в голове человека - пользователя мобильным средством связи.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на

- Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 30-летию Арзамасского филиала Нижегородского государственного технического университета, Арзамас, 1998.

- I Всероссийской научно-технической конференции « Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве», Н. Новгород, НГТУ, 1999.

- VI Международной научно-технической конференции « Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ», Самара, 1999.

- Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 65-летию факультета информационных систем и технологий НГТУ. «Информационные системы и технологии. ИСТ-2001.», Н.Новгород, 2001.

- I Международной научно-технической конференции « Физика и технические приложения волновых процессов». - Самара, 2001,

- Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ-2005», Н.Новгород, 2005.

- V Международной научно-технической конференции « Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, 2006.

- Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии. ИСТ-2009», Н.Новгород, 2009.

- VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Н.Новгород, 2009.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 статьи в научно-технических журналах, включенных в список ВАК РФ.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Объем диссертации составляет 168 страниц основного текста, 7 страниц списка литературы (64 наименования), 25 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проводится анализ современного состояния вопроса, ставится цель диссертационной работы, обосновывается ее актуальность, формулируются задачи исследований, определяется новизна полученных результатов и их практическая ценность, формулируются положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации.

В первой главе диссертации описывается обобщенная матрица рассеяния, поясняется ее структура и ее взаимосвязь с классическими характеристиками антенн и рассеивателей электромагнитных волн, определяется физический смысл элементов обобщенной матрицы рассеяния. Обобщенная матрица рассеяния антенн или рассеивающего объекта – это аналог матрицы рассеяния, используемой в СВЧ технике для описания СВЧ-цепей и СВЧ устройств. Классическая матрица рассеяния СВЧ-четырехполюсника связывает рассеянные волны с падающими на четырехполюсник волнами. Для антенн падающие и рассеянные волны включают в себя не только волны фидеров, но и волны свободного пространства. Для рассеивателя электромагнитных волн в свободном пространстве падающие и рассеянные волны включают в себя только волны свободного пространства. Запись обобщенной матрицы рассеяния зависит от выбора вида волн, используемых для описания электромагнитного поля свободного пространства. В работе полагается, что антенну или рассеиватель можно окружить сферой и поля на сфере представить суммой полей сферических гармоник.

При анализе взаимодействия антенн впервые показано, что удобнее всего заключить антенну или рассеиватель между двумя сферами (рис.1). При этом волны свободного пространства представлены сферическими гармониками на внешней и внутренней сферах.

Рис.1

Тогда обобщенная матрица рассеяния представлена в виде девяти подматриц.

Подматрицы SC, STin, STout определяют преобразования падающих волн фидеров (рис.1) в отраженные волны фидеров, в волны свободного пространства на внутренней сфере и в волны свободного пространства на внешней сфере соответственно. Подматрицы SRin, SSin-in, SSin-out определяют преобразования падающих на внутреннюю сферу (рис.1) волн свободного пространства в волны фидеров, в волны свободного пространства на внутренней сфере и в волны свободного пространства на внешней сфере соответственно. Подматрицы SRout, SSout-in, SSout-out определяют преобразования падающих на внешнюю сферу (рис.1) волн свободного пространства в волны фидеров, в волны свободного пространства на внутренней сфере и в волны свободного пространства на внешней сфере соответственно.

В главе получены аналитические соотношения, определяющие связь элементов обобщенной матрицы рассеяния с классическими характеристиками антенн – диаграммой направленности и входным сопротивлением. Для одновходовых антенн диаграмма направленности определяется:

и соответствующие Е- и Н- волнам части вектора ST, и - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, - присоединенные функции Лежандра. Для одновходовых антенн входное сопротивление определяется

,

где - это комплексный коэффициент отражения, W – волновое сопротивление фидера.

Можно подчеркнуть, что для определения диаграммы направленности используется только часть элементов обобщенной матрицы рассеяния. Таким образом, обобщенная матрица рассеяния – это более полная характеристика антенны, чем диаграмма направленности.

Во второй главе рассматривается задача создания метода численного расчета обобщенных матриц рассеяния антенн. Эта задача решается в два этапа. На первом этапе численно решается задача расчета токов в антенне. Для проволочных антенн рассчитывается распределение комплексных амплитуд токов в проводах. Для этого решается интегральное уравнение относительно тока антенны, полученное на основе граничного условия вида Е=0 на поверхности проводника. Рассматривается возбуждение антенны волной фидера и внешними полями сферических гармоник.

На втором этапе рассчитываются комплексные амплитуды сферических гармоник, создаваемых токами антенны. Для этого антенна разбивается на малые элементарные участки, после чего суммируются комплексные амплитуды сферических гармоник, создаваемых всеми элементарными участками. Получены формулы расчета комплексных амплитуд сферических гармоник, создаваемых элементарными источниками. В качестве примера численно рассчитана обобщенная матрица рассеяния полуволнового вибратора.

В третьей главе рассмотрена задача применения обобщенных матриц рассеяния для анализа антенных систем, описываются созданные автором методы анализа взаимодействия конструктивно законченных, конечных объектов, в качестве которых могут быть использованы антенны или рассеиватели электромагнитных волн. Наиболее эффективно анализируются объекты, размеры которых не превышают 10. Приводится решение представляющей практический интерес задачи нахождения обобщенной матрицы рассеяния составной антенной системы по известным обобщенным матрицам рассеяния отдельных элементов системы. Показано, что обобщенные матрицы рассеяния позволяют существенно упростить расчеты при анализе сложных антенных систем.

Решена задача анализа двухантенной системы (рис.2), которая составляет основу для расчета составных антенных систем из любого количества элементов.

Рис.2

Получена обобщенная матрица рассеяния для частного случая одновходовых антенных систем, представляющих наибольший интерес для практики. Решена задача анализа системы, одна из антенн которой замкнута накоротко.

В четвертой главе применение обобщенных матриц рассеяния иллюстрируется на примере анализа антенных систем из двух параллельных вибраторов и из двух соосных вибраторов. При расчете обобщенных матриц рассеяния отдельных элементов используется методика, изложенная во второй главе. При расчете характеристик системы – результаты третьей главы. Отмечается, что не всегда можно проанализировать антенные системы численным решением интегральных уравнений. Например, это затруднительно, если значения электромагнитных полей вблизи антенн или рассеивателей определены экспериментально. В таком случае может быть использован метод анализа антенн, предложенный в диссертации. При этом, измеряя рассеянные поля в нескольких точках вблизи объекта и зная поля, воздействующие на объект, можно получить элементы обобщенной матрицы рассеяния объекта на основе выражения, где S – обобщенная матрица рассеяния антенной системы, - волны, падающие на объект, - волны, рассеянные объектом. Задача анализа двух вибраторов решается в главе 4 не только с помощью обобщенных матриц рассеяния, но также и прямым численным решением интегральных уравнений. Совпадение результатов, полученных разными методами, позволяет сделать вывод о возможности практического применения обобщенных матриц рассеяния при анализе антенных систем и подтверждает эффективность применения обобщенных матриц рассеяния.

Во второй части четвертой главы решена задача взаимодействия рамочной антенны и диэлектрического шара (рис.3).

Рис.3

Создан алгоритм и написана программа расчета взаимодействия рамки с шаром из диэлектрика через обобщенные матрицы рассеяния, позволяющие получить зависимости основных характеристик: входного сопротивления (рис.4) и диаграммы направленности (рис.5) от отношения расстояния R между рамкой и шаром к длине волны. Верхние графики на рис. 4 построены для радиуса шара 2.06, нижние – для 0.83. Шар рассматривается как рассеиватель. Элементы обобщенной матрицы рассеяния шара получены при использовании граничного условия равенства тангенциальных составляющих электромагнитного поля на поверхности диэлектрического шара.

Рис.4

а) б) в) г)

Рис.5а), б)- R=1.5, в), г)- R= (диаграмма направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях)

Расчет взаимодействия рамочной антенны с диэлектрическим шаром с помощью обобщенных матриц рассеяния позволяет сделать выводы о влиянии положения антенны, изменения ее характеристик при изменении диэлектрической проницаемости шара, что закладывает основы для расчета полей, в том числе и в голове человека - пользователя мобильным средством связи.

В заключении приведены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложениях приведены программы расчета обобщенных матриц рассеяния и характеристик вибратора, антенной системы из двух параллельных вибраторов, антенной системы из двух соосных вибраторов; акты внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

  1. Разработан метод анализа антенных системы и рассеивателей с помощью обобщенных матриц рассеяния, который позволяет эффективно анализировать антенны и составные антенные системы.
  2. Определены клеточные структуры обобщенной матрицы рассеяния, установлен физический смысл элементов подматриц обобщенной матрицы рассеяния, что позволяет связать математическое описание с реальным физическим представлением процесса, и позволяет указать путь расчета элементов обобщенной матрицы рассеяния антенн и рассеивателей. Показано, что обобщенная матрица рассеяния содержит не только характеристики антенны в режиме приема и излучения, но также и информацию о ее рассеивающих свойствах. Предложена форма представления обобщенной матрицы рассеяния в виде девяти подматриц, позволяющая решать задачи анализа антенных систем на единой формализованной основе. Определена взаимосвязь обобщенных матриц рассеяния с диаграммой направленности антенны. Проведенные исследования показали, что диаграмма направленности определяет часть элементов обобщенной матрицы рассеяния, т. е. диаграмма направленности является менее информативной характеристикой для решения задач взаимодействия антенн и антенн с рассеивателем, чем обобщенная матрица рассеяния.
  3. В качестве базиса для представления полей в свободном пространстве использованы сферические гармоники, что позволяет представить поле вблизи антенны и рассеивателя сравнительно небольшим числом слагаемых по сравнению с анализом с использованием представления полей в виде плоских волн. Решение практических задач о взаимодействии рассеивателей с использованием плоских волн оказывается чрезвычайно громоздкой и сложной вычислительной задачей. Использование сферических гармоник делает решение таких задач более простым.
  4. Разработаны алгоритм и программа численного расчета комплексных амплитуд токов в проволочных антеннах, которые составляют основу для расчета обобщенной матрицы рассеяния антенны.
  5. Определены комплексные амплитуды сферических гармоник элементарных источников, в качестве которых использованы радиальный, меридиональный и азимутальный диполи.
    Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»