автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Анализ антенных систем с помощью обобщенных матриц рассеяния

На правах рукописи

Кузикова Наталья Игоревна

АНАЛИЗ АНТЕННЫХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ОБОБЩЕННЫХ МАТРИЦ РАССЕЯНИЯ

05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород -

003470795

Работа выполнена на кафедре "Физика и техника оптической связи" Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Козлов Валерий Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

старший научный сотрудник Кашин Александр Васильевич

кандидат технических наук, доцент Иларионов Юрий Авенирович

Ведущая организация: Федеральное государственное научное учреждение

«Научно-исследовательский радиофизический институт», г. Н. Новгород

Защита состоится 18 июня 2009 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева по адресу: 603950, г. Н.Новгород, ул. Минина,

24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан мая 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета

Назаров А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Во многих областях техники важно уметь рассчитывать взаимодействие элементов антенных систем и антенн с близко расположенными телами. Решение этой задачи актуально из-за широкого распространения средств связи в технике, в быту и с разработкой беспроводных компьютерных сетей. Например, в таких областях (или в таких задачах):

1. Взаимодействие антенны сотового телефона и человека.

2. Взаимодействие элементов ФАР.

3. Беспроводные компьютерные сети. Взаимодействие антенны, расположенной на компьютере, с компьютером с близкорасположенным монитором и др. телами. Аналогично для антенны мыши, клавиатуры.

4. Антенны на объектах, например автомобилях и др. Влияние антенн друг на друга, их взаимодействие с корпусом объекта. Решение задачи оптимального расположения антенны на корпусе объекта и получения заданных технических характеристик антенны.

В настоящее время актуальной является задача анализа антенных систем, а также учет взаимодействия антенн с рассеивающими объектами, такими как, например, самолет, здание, человек и т. д. Процессы излучения и приема радиоволн антеннами относятся к сложным волновым процессам. Адекватное математическое описание этих процессов дает общая теория электромагнитного поля, основанная на решении системы уравнений Максвелла, дополненной материальными уравнениями для сред и граничными условиями. Несмотря на внешнюю относительную простоту и физическую четкость уравнений Максвелла, их прямое использование при проектировании конкретных антенн не приводит к желаемым результатам из-за серьезных математических трудностей. Строгие и полные решения электродинамических задач даже для простейших антенн (например, уединенных вибраторов или щелевых излучателей) приводят к слишком сложным векторным функциям напряженностей электрического и магнитного полей, зависящих от трех пространственных координат.

Поэтому в настоящее время более распространены численные методы анализа антенных систем с помощью различных универсальных программ [Л.1-Л.14]. Часть численных методов основана на дискретном представлении уравнений Максвелла, а часть на составлении и решении интегральных уравнений [Л.10,Л.11,Л. 17]. И в первом, и во втором случаях выполняется большой объем вычислений, особенно при поиске оптимального положения антенны. При смене положения антенны, например на самолете, или автомобиле, приходится все расчеты выполнять заново. Выбор оптимального взаимного положения элементов антенных решеток также приводит к большому объему вычислений при расчетах.

3

Для уменьшения времени анализа и сокращения вычислительных затрат в диссертации предлагается использовать иной подход. Он основан на применении обобщенных матриц рассеяния антенн и рассеивающих объектов. Знание обобщенных матриц рассеяния позволяет рассчитывать характеристики антенной системы, не обращаясь к геометрии элементов. Предлагаемый подход аналогичен использованию матриц четырехполюсников и многополюсников в теории электрических цепей. Теория четырехполюсников позволяет рассчитывать характеристики сложного соединения, не обращаясь к схеме цепи. Аналогично обобщенные матрицы рассеяния минимизируют расчеты при анализе составных антенных систем.

Матричный метод анализа СВЧ-устройств достаточно полно описан в работах [Л. 1,Л. 18,Л. 19]. В отличие от [Л.1] , в исследованиях, результаты которых представлены в диссертации, были введены волны свободного пространства, позволяющие учесть взаимодействие антенн. Близкий подход к задаче анализа взаимодействующих электродинамических объектов использован В.В. Никольским и Т.И. Никольской [Л.З,Л.20]. Однако эти работы ориентированы на создание численных методов решения задач электродинамики по отношению к волноведущим структурам. В диссертации созданы методы анализа взаимодействия конструктивно законченных, конечных объектов, в качестве которых могут быть использованы антенны или рассеиватели электромагнитных волн. Поэтому при выполнении работы возникли новые задачи, и оказалось целесообразным несколько изменить терминологию по сравнению с терминологией в работе [Л.20]. Вместо термина дескриптор режимов минимального «автономного блока» используется термин - обобщенная матрица рассеяния.

Запись обобщенной матрицы рассеяния зависит от выбора вида волн, используемых для описания электромагнитного поля свободного пространства. Плоские электромагнитные волны имеют наиболее простую структуру поля. Однако их использование для расчетов обобщенной матрицы рассеяния реальных антенн конечных размеров представляется малоэффективным. Амплитуды гармоник плоских волн в представлении Фурье связаны с зависимостью электромагнитного поля от пространственных координат на некоторой плоскости двухмерным преобразованием Фурье [Л. 15, Л. 16]. Если представить, что для описания поля используется около ста пространственных гармоник по каждой из двух координат, то это означает, что обобщенная матрица рассеяния будет иметь размер порядка 104х104. Выполнение вычислений с матрицами таких огромных размеров затруднительно. В работе полагается, что антенну или рассеиватель можно окружить сферой и поля на сфере представить суммой полей сферических гармоник. Так как сферическая поверхность ограничена в пространстве, а плоскость не ограничена, то сферические гармоники позволяют представить поле вблизи рассеивателя сравнительно небольшим числом слагаемых. Сферические гармоники обладают

конечной энергией, что позволяет при нахождении полей всегда ограничиться конечным числом слагаемых. Энергия плоской волны конечной амплитуды, напротив, бесконечно велика, что приводит к необходимости складывать большое число слагаемых, амплитуды которых бесконечно малы при представлении поля вблизи рассеивателя. Переход к конечным суммам и решение практических задач о взаимодействии рассеивателей с использованием плоских волн оказывается громоздкой и сложной вычислительной задачей.

Предложенный в диссертации метод анализа составных СВЧ - систем рассматривается как вариант метода частичных областей (МЧО). В диссертации в качестве частичных областей выбраны пространственные области, заключенные между двумя сферами, имеющими общий центр. Исключение составляет внутренняя область - шар наименьшего радиуса и внешняя область - внешняя часть пространства по отношению к сфере наибольшего радиуса. Поля на сферах, разделяющих отдельные частичные области, представляются суммой полей сферических гармоник.

Сферические гармоники представляют решения уравнений Максвелла методом разделения переменных в сферической системе координат [Л.4,Л.9,Л.21]. Сферические гармоники применялись при аналитическом решении задач рассеяния плоских волн на сфере [Л.2,Л.З]. Они также используются при определении поля излучения антенн в дальней зоне по результатам измерений их ближнего поля [Л.22]. Сферические гармоники применяются при анализе взаимодействия источников электромагнитных волн или акустических волн с помещением, в котором находится источник [Л.22]. При их использовании метод частичных областей становится более удобным для численного анализа, так как поля описываются дискретным спектром. В этом важное преимущество сферических гармоник перед плоскими волнами, при применении которых спектр является непрерывным, так как параметр, характеризующий плоскую волну - волновой вектор - является непрерывным параметром. Отметим, что возникающая при этом необходимость вычислений специальных функций (сферических функций Бесселя и присоединенных функций Лежандра) не является проблемой для современной вычислительной техники.

Таким образом, метод анализа антенных систем с помощью обобщенных матриц рассеяния - это обобщение классического матричного метода анализа СВЧ - многополюсников. Он отличается физической естественностью, простотой математической формализации, строгой теоретической обоснованностью. Метод широко используется в настоящее время на практике при расчете СВЧ - многополюсников. Распространение этого метода на антенные системы приводит к простым алгоритмам, удобным для численного анализа антенных систем.

Цель диссертации: Разработка методов расчета антенных систем с учетом взаимодействия элементов системы друг с другом и с учетом их взаимодействия с рассеивающими телами с помощью обобщенных матриц рассеяния. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- дано описание обобщенной матрицы рассеяния, пояснена ее структура, физический смысл и взаимосвязь с классическими характеристиками антенн;

- рассчитаны обобщенные матрицы рассеяния проволочных антенн;

- определена обобщенная матрица рассеяния сложной антенной системы по известным матрицам рассеяния отдельных элементов системы;

- получена обобщенная матрица рассеяния одновходовой двухантенной системы, одна из антенн которой короткозамкнута;

- рассчитаны обобщенные матрицы рассеяния антенных систем из двух параллельных вибраторов и двух соосных вибраторов;

- выполнено сравнение классических характеристик (входного сопротивления и диаграммы направленности) антенных систем из двух параллельных вибраторов и двух соосных вибраторов, рассчитанных через обобщенные матрицы рассеяния и численным решением интегральных уравнений;

рассчитаны обобщенные матрицы рассеяния, входное сопротивление и диаграммы направленности антенной системы из рамочной антенны и диэлектрического шара.

Методы исследования:

В работе использовались декомпозиционные методы электродинамики и антенной техники, методы матричной алгебры, численные методы анализа антенн и рассеивателей, а также аппарат специальных математических функций. Научная новизна:

1. Разработан метод расчета антенных систем с помощью обобщенных матриц рассеяния.

2. Впервые предложена форма представления обобщенной матрицы рассеяния в виде девяти подматриц, удобная для решения поставленных задач.

3. Определена взаимосвязь обобщенных матриц рассеяния с диаграммой направленности антенны. Показано, что диаграмма направленности определяет часть элементов обобщенной матрицы рассеяния и является недостаточной характеристикой для решения задач взаимодействия антенн и антенн с рассеивателем.

4. Получены общие выражения, позволяющие рассчитать обобщенные матрицы рассеяния составных антенных систем по обобщенным матрицам рассеяния элементов, входящих в систему.

5. Методом обобщенных матриц рассеяния выполнен расчет антенных систем из двух параллельных вибраторов и двух соосных вибраторов.

6. Методом обобщенных матриц рассеяния выполнен расчет взаимодействия рамочной антенны с диэлектрическим шаром, чем создана

основа для расчета полей и характеристик антенн, расположенных вблизи головы человека.

В работе последовательно изложена методика расчета обобщенных матриц рассеяния антенных элементов и рассеивающих тел. Показано, как по обобщенным матрицам рассеяния отдельных элементов электродинамической системы определить ее обобщенную матрицу рассеяния. Установлена связь обобщенных матриц рассеяния с классическими характеристиками антенн, такими как входное сопротивление и диаграмма направленности.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов, рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

- использованием при расчетах обобщенных матриц рассеяния теоретически обоснованных методов решения уравнений Максвелла в сферической системе координат, численного решения интегральных уравнений, компьютерного моделирования, матричного анализа;

- совпадением результатов расчета антенных систем, полученных с помощью обобщенных матриц рассеяния, с результатами прямого компьютерного моделирования.

Практическая ценность работы заключается:

1. В создании алгоритмов и программ, позволяющих разрабатывать и рассчитывать фазированные антенные решетки с конечным числом элементов с учетом их взаимодействия.

2. В создании алгоритмов и программ, позволяющих рассчитывать характеристики антенн, расположенных вблизи рассеивающих объектов.

3. В создании алгоритмов и программ, позволяющих эффективно отыскивать оптимальное положение бортовых антенн на носителе (автомобиле и т.д.).

4. В создании алгоритмов и программ, позволяющих анализировать взаимодействие рамочной антенны с диэлектрическим шаром, что составляет основу для разработки приемо-передающих устройств персональных средств связи с учетом взаимного влияния антенны и пользователя мобильных средств связи.

Указанные алгоритмы и программы позволяют проектировать антенные

системы различных типов.

Реализация и внедрение результатов.

Алгоритм и программы, разработанные в ходе выполнения диссертационной работы, внедрены в СКБ "РИАП" (г. Н.Новгород) и в НИИИС им. Ю.Е.Седакова (г. Н.Новгород).

Материалы диссертации, имеющие теоретическую значимость, а также метод моделирования и разработанное программное обеспечение использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров, обучающихся по

радиотехническим и связным специальностям, при чтении курса на кафедре «Физика и техника оптической связи».

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.

\лго

Рис.1

Тогда обобщенная матрица рассеяния представлена в виде девяти подматриц

8С вЛ^

88„

оиЫп

111-0111 0111-0111 _

Подматрицы вС, 8Т!п, 5Т0Ц{ 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 БК^, 88^_ои1 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 8К0Ц,, 880иЫп, 88ои(.ои, 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:

о0(в,<р)--

11

«=1 т=-п

+ БТ!

ав

*та \ "

I I

ХТ'Г1

+ 5Г

/>М(соьв)

?тЕ и

е ав

соответствующие Е- и Н- волнам части вектора вТ, е и ¡1 -

диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, Р^т\совв)-

присоединенные функции Лежандра. Для одновходовых антенн входное сопротивление определяется

■■¡V

1+5С,

00 ,

1-5С,

00

где 5С00 - это комплексный коэффициент отражения, IV - 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 Ет=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.

.в +

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 с- = 8с+, где Б - обобщенная матрица рассеяния антенной

системы, с+ - волны, падающие на объект, с- - 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).

2> У

}

к

— л

в -- — / 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 Я между рамкой и шаром к длине волны I. Верхние графики на рис. 4 построены для радиуса шара 2.061, нижние - для 0.83Х.. Шар рассматривается как рассеиватель.

Элементы обобщенной матрицы рассеяния шара получены при использовании граничного условия равенства тангенциальных составляющих электромагнитного поля на поверхности диэлектрического шара.

КУЯ 11/?. Ш

а) б) в) г)

Рис.5а), б)- Я=1.5 X, в), г)- (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. Полученные аналитические соотношения позволяют выполнить численный расчет характеристик антенн.

6. Разработан алгоритм и программа расчета входного сопротивления, диаграммы направленности, элементов обобщенной матрицы рассеяния

вибратора с помощью аппарата сферических гармоник, позволяющая повысить эффективность численного анализа характеристик антенн.

7. Сравнение результатов, полученных численными методами и с помощью обобщенных матриц рассеяния для одиночного вибратора, показало их хорошее совпадение, что подтверждает правильность предложенной методики расчета антенн.

8. Описан метод анализа взаимодействия конструктивно законченных, конечных объектов, размеры которых не превышают 1ОЛ,, в качестве которых могут быть использованы антенны или рассеиватели электромагнитных волн с помощью обобщенных матриц рассеяния, позволяющий оптимизировать процесс анализа таких объектов. Он позволяет рассчитывать антенные системы произвольной формы, а также позволяет сократить их время расчета.

9. Получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитать элементы обобщенной матрицы рассеяния сложной (составной) системы по обобщенным матрицам рассеяния ее частей. В качестве типовой решена задача анализа двух взаимодействующих антенных систем. Получена обобщенная матрица рассеяния для частного случая одновходовых антенных систем, представляющих наибольший интерес для практики. Решена задача анализа одновходовой двухантенной системы, одна из антенн которой, замкнута накоротко. Получена ее обобщенная матрица рассеяния, позволяющая определить характеристики рассматриваемой системы.

10. В качестве тестовой задачи выполнен анализ антенных систем из двух параллельных вибраторов и двух соосных вибраторов с помощью обобщенных матриц рассеяния. Проведено сравнительное исследование различных методов, которые иллюстрируют эффективность предложенной методики расчета антенных систем через обобщенные матрицы рассеяния.

11. Проведена оценка необходимого для анализа антенных систем количества сферических гармоник. Показано, что число сферических гармоник определяется размерами антенной системы и оценивается из

выражения: (кгЛ1ах)2, где к - волновое число, гтх - расстояние от

начала координат до самой дальней точки антенной системы.

12. Решена задача взаимодействия рамочной антенны и диэлектрического шара. Создан алгоритм и написана программа расчета взаимодействия рамки с шаром из диэлектрика через обобщенные матрицы рассеяния, позволяющие получить зависимости основных характеристик: диаграммы направленности и входного сопротивления от расстояния между рамкой и шаром. В случае если диэлектрик входит в рамку наблюдается сильное изменение реактивной составляющей входного

сопротивления. Этот эффект особенно заметен при близких размерах рамки и шара, а также при значительных диэлектрических проницаемостях шара. Его необходимо учитывать при проектировании приемно-передающих устройств. Иначе входная цепь окажется не настроенной в резонанс и для получения нужной излучаемой мощности придется увеличивать амплитуду сигнала передатчика, что приведет к увеличению помех и увеличит воздействие электромагнитного сигнала на человека.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ковалев, И.П. Математическая модель датчика импульсного электромагнитного поля / И.П. Ковалев, Н.И. Кузикова // Труды НГТУ: тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 30-летию Арзамас, филиала НГТУ. - Арзамас, 1998. - с.155.

2. Кузикова, Н.И. Математические модели антенны импульсного радара в ближней зоне / Н.И. Кузикова // Труды НГТУ: тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 30-летию Арзамас, филиала НГТУ.-Арзамас, 1998,- с.158.

3. Кузикова, Н.И. Изучение импульсных электромагнитных полей антенной " bot - tie" / Н.И. Кузикова // Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве - 419: тез. докл. I Всерос. науч.-техн. конф. - Н. Новгород, 1999. - с.32.

4. Ковалев, И.П.. Динамика импульсных характеристик приемных антенн при движении источника излучения / И.П. Ковалев, Н.И Кузикова // Труды НГТУ. Физические технологии в машиноведении. -Н. Новгород, 1998. - с.58-63.

5. Кузикова, Н.И. Анализ полей излучения импульсного радара в ближней и дальней зонах / Н.И. Кузикова // Труды НГТУ. Физические технологии в машиноведении. - Н. Новгород, 1998. -с.63-66.

6. Кузикова, Н.И. Использование метода декомпозиции для связи сигналов на входе передающей и выходе приемной антенны в ближней зоне / Н.И. Кузикова // Физические технологии в машиноведении: сборник научн. труд - Н. Новгород: Интелсервис, 2000. - Вып.2. - с.74-76.

7. Ковалев, И.П.. Расчет полей изучения и характеристик импульсных ТЕМ систем / И.П. Ковалев, Н.И. Кузикова // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ: тез. докл. VI Междунар. науч.-техн. конф. - Самара, 1999. - Т.7, № 3. - с.103.

8. Кузикова, Н.И. Анализ сложных антенных систем методом декомпозиции / Н.И. Кузикова // Физика и технические

приложения волновых процессов: тез. докл. и сообщ. I Междунар. науч .-техн. конф. - Самара, 2001. - Т. 1. - с. 151.

9. Кузикова, Н.И. Анализ высокочастотных систем с помощью обобщенной матрицы рассеяния / Н.И. Кузикова // Информационные системы и технологии. ИСТ-2001: тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. 65-летию факультета Информационных систем и технологий НГТУ. - Н. Новгород, 2001,- с.49.

10. Кузикова, Н.И. Преобразования сферических гармоник и обобщенных матриц рассеяния антенных систем при смене системы координат / Н.И. Кузикова // Антенны. - 2004. - Вып. 1(81). - с.79-84.

11. Кузикова, Н.И. Обобщенные матрицы рассеяния антенн при описании электромагнитного поля через сферические гармоники / Н.И. Кузикова // Информационные системы и технологии. ИСТ-2005: тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. - Н. Новгород, 2005. -с.35-36.

12. Кузикова, Н.И. Расчет элементов обобщенных матриц рассеяния антенн в сферической системе координат и их применение для анализа антенных систем / Н.И. Кузикова // Физика и технические приложения волновых процессов: тез. докл. и сообщ. V Междунар. науч.-техн. конф. - Самара, 2006 - с. 96.

13. Кузикова, Н.И. Расчет диаграммы направленности с помощью метода обобщенных матриц рассеяния. /Белов Ю.Г., Денисенко A.A., Ермолаев А.И. и др. Под редакцией Раевского С.Б./ Математические методы прикладной электродинамики. Монография. - М.: Радиотехника, 2007. - с.67-72.

14. Кузикова, Н.И. Расчет диаграммы направленности с помощью метода обобщенных матриц рассеяния / Н.И. Кузикова // Антенны.

- 2007. - Вып. 11(126). - с.67-72.

15. .Кузикова, Н.И. Зависимость точности расчета характеристик антенных систем от размерности обобщенных матриц рассеяния / Н.И Кузикова // Информационные системы и технологии. ИСТ-2009: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. - Н. Новгород, 2009.

- с.67

16. Кузикова, Н.И. Зависимость точности расчета характеристик антенной системы из двух соосных вибраторов от размерности обобщенных матриц рассеяния / Н.И. Кузикова // Будущее технической науки: тез. докл. VIII Междунар. молодежной науч.-техн. конф. - Н. Новгород, 2009. - с. 89.

ЛИТЕРАТУРА

Л.1. Марков, Г.Т. Антенны / Г.Т Марков., Д.М. Сазонов - М.: Энергия, 1975.-528 с.

Л.2. Вайнштейн, Л.А. Электромагнитные волны / Л.А. Вайнштейн -М.: Радио и связь, 1988. - 440 с.

Л.З. Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В.В. Никольский, Т.И. Никольская - М.: Наука, 1989. Л.4. Марков, Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин - М.: Радио и связь, 1983. - 296 с. Л.5. Никольский, В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики / В.В. Никольский - М.: Наука, 1967. -460 с. Л.6. Марков, Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн / Г.Т. Марков и др. - М.: Советское радио, 1979. - 376 с. Л.7. Стрэттон, Дж.А. Теория электромагнетизма / Дж.А. Стрэтгон // Пер. с англ. / Под редакцией С.М. Рытова - М.: Гостехиздат, 1948. Л.8. Тамм, И.Е. Основы теории электричества / И.Е. Тамм - М.: Наука, 1976.

Л.9. Каценеленбаум, Б.З. Высокочастотная электродинамика / Б.З. Каценеленбаум -М.: Наука, 1966.

Л. 10. Виленкин, Н.Я. Специальные функции и теория представлений групп / Н.Я. Виленкин - М.: Наука, 1991.

Л. 11. Васильев, E.H. Возбуждение тел вращения / E.H. Васильев - М.: Радио и связь, 1987. - 272 с.

Л. 12. Митра, Р. Вычислительные методы в электродинамике / Под редакцией Р. Митры / Пер. с англ. / Под редакцией Э. Л. Бурштейна. -М.: Мир, 1977.-с. 485.

Л. 13. Пистолькорс, A.A. Развитие отечественной антенной техники / A.A. Пистолькорс, Л.Д. Бахрах, А.П. Курочкин - Радиотехника, 1995 -№7-8.

Л. 14. Хенл, X. Теория дифракции: Пер. с нем. / Под редакцией Г.Д. Малюжинца / X. Хенл, А. Мауэ, К. Вестпфаль - М.: Мир, 1964. Л. 15. Зверев, В.А. Радиооптика. Преобразования сигналов в радио и оптике / В.А. Зверев. - М.: Сов. Радио, 1975.

Л. 16. Зверев, В.А. Физические основы формирования изображений волновыми полями / В.А. Зверев - Н. Новгород: ИПФ РАН, 1998.-252 с.

Л. 17. Persson, К. Sensitivity Analysis for Antenna Near-Field Imaging. / K. Persson, M. Gustafsson and S. Nordebo // Technical Report LUTEDX/(TEAT-7139)/l -17/(2005), Lund Institute of Technology, Department of Electroscience, P.O.Box 118, S-211 00 Lund - Sweden, 2005.

JI. 18. Race, J. Generalized scattering matrix analysis of waveguide discontinuity problems / J. Race, R. Mittra - Quasi-Optics, XIV, 172-197, Polytechnic Institute of Brooklyn Press. - New York, 1964. JI.19. Фельдштейн , A.JI. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ / А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич - М.: Связь, 1971.

Л.20. Никольский, В.В. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики / В.В. Никольский, Т.И. Никольская - М.: Наука, 1989.

Л.21. Анго, А. Математика для электро- и радиоинженеров / А. Анго-М.: Наука, 1967.

Л.22. Газазян, Э.Д. К теории измерений характеристик антенн методом сферических гармоник / Э.Д. Газазян, М.И. Иванян - Известия вузов. - Радиофизика. - Том 30, № 10. - 1987. - с. 1221 - 1225.

Подписано в печать 12.05.2009. Формат 60x84 l/i6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч. -изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 339.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

•' • Стр.

Введение.

Глава 1. Обобщенные матрицы рассеяния антенн при описании электромагнитного поля с помощью сферических гармоник.

1.1. Описание электромагнитных полей с использованием сферических гармоник.

1.2. Структура обобщенной матрицы рассеяния антенной системы, физический смысл ее элементов.

1.2.1. Структура обобщенной матрицы рассеяния многовходовой антенной системы.

1.2.2. Матрица рассеяния антенны с одним входом.

1.3. Связь классических характеристик антенн с обобщенными матрицами рассеяния.'.

1.4. Выводы.

Глава 2. Методика численного расчета обобщенных матриц рассеяния.

2.1. Численный расчет токов антенн.

2.2. Сферические гармоники элементарных источников (радиального, меридионального и азимутального диполей).

2.3. Расчет обобщенной матрицы рассеяния вибратора.

2.4. Выводы.

Глава 3. Анализ сложной антенной системы с помощью обобщенных матриц рассеяния.

3.1. Расчет обобщенной матрицы рассеяния для двухантенной системы.i.

3.2. Расчет обобщенной матрицы рассеяния для двухантенной одновходовой системы.

3.3. Расчет обобщенной матрицы рассеяния для двухантенной одновходовой системы, входные зажимы одной из антенн которой замкнуты накоротко.

3.4. Выводы.

Глава 4. Анализ антенной системы из двух вибраторов с помощью обобщенных матриц рассеяния.

4.1. Анализ антенной системы из двух параллельных вибраторов.

4.1.1. Структура программы расчета входного сопротивления и диаграммы направленности двух параллельных вибраторов через обобщенные матрицы рассеяния.

4.1.2. Результаты численного анализа системы из двух параллельных вибраторов.

4.2. Анализ антенной системы из двух соосных вибраторов.

4.2.1. Структура программы расчета входного сопротивления и диаграммы направленности двух соосных вибраторов через обобщенные матрицы рассеяния.

4.2.2. Результаты численного анализа системы из двух соосных вибраторов.

4.3. Анализ взаимодействия рамочной антенны и диэлектрического шара.

4.3.1. Структура программы расчета входного сопротивления и диаграммы направленности рамочной антенны через обобщенные матрицы рассеяния.

4.3.2. Результаты численного анализа системы из рамочной антенны и диэлектрического шара.

4.4. Выводы.:.

Диссертация посвящена разработке матричных методов расчета взаимодействия элементов антенных систем, антенн с рассеивателями, а также рассеивающих тел друг с другом. В диссертации рассматривается задача анализа характеристик'составной электродинамической системы по характеристикам частей этой системы.

Актуальность темы:

Во многих областях техники важно уметь рассчитывать взаимодействие элементов антенных систем и антенн с близко расположенными телами. Решение этой задачи актуально из-за широкого распространения средств связи в технике, в быту, развития беспроводных компьютерных сетей. Примерами рассматриваемых взаимодействий могут служить:

1. Взаимодействие антенны сотового телефона и человека.

2. Взаимодействие элементов ФАР.

3. Беспроводные компьютерные сети. Взаимодействие антенны, расположенной на компьютере, с компьютером с близкорасположенным монитором и др. телами. Аналогично для антенны мыши, клавиатуры и др.

4. Антенны на объектах, например автомобилях и др. Влияние антенн друг на друга, их взаимодействие с корпусом объекта. Решение задачи оптимального расположения антенны на корпусе летательного аппарата и получения заданных технических характеристик антенны.

Процессы излучения и приема радиоволн антеннами относятся к сложным волновым процессам. Адекватное математическое описание этих процессов дает общая теория электромагнитного поля, основанная на решении системы уравнений Максвелла, дополненной материальными уравнениями для сред и граничными условиями. Несмотря на внешнюю относительную простоту и физическую четкость уравнений Максвелла, их прямое использование при проектировании конкретных антенн не приводит к желаемым результатам из-за серьезных математических трудностей. Строгие и полные решения электродинамических задач даже для простейших антенн (например, уединенных вибраторов или щелевых излучателей) приводят к слишком сложным векторным функциям напряженностей электрического и магнитного полей, зависящих от трех пространственных координат.

В настоящее время анализ взаимодействия антенных систем проводится численными методами с помощью различных универсальных программ [1-14]. Часть численных методов- основана на дискретном представлении уравнений Максвелла, а часть на составлении и решении интегральных уравнений [10,11,17]. И. в первом, и во втором случаях выполняется большой объем вычислений, особенно при поиске оптимального положения антенны. При смене положения антенны, например на самолете, или автомобиле, приходится все расчеты выполнять заново. Выбор оптимального взаимного положения элементов антенных решеток также приводит к большому объему вычислений при расчетах.

Для уменьшения времени анализа и сокращения вычислительных затрат в диссертации предлагается использовать иной подход. Он основан на применении обобщенных матриц рассеяния антенн и рассеивающих объектов. Знание обобщенных матриц рассеяния позволяет рассчитывать характеристики антенной системы, не обращаясь к геометрии элементов. Предлагаемый подход аналогичен использованию матриц четырехполюсников и многополюсников в теории электрических цепей. Теория четырехполюсников позволяет рассчитывать характеристики сложного соединения, не обращаясь к схеме цепи. Аналогично обобщенные матрицы рассеяния минимизируют расчеты при анализе составных антенных систем.

Матричный метод анализа СВЧ-устройств достаточно полно описан в работах [1,18,19]. В'отличие от [1], в исследованиях, результаты которых представлены в диссертации, были введены волны свободного пространства, позволяющие учесть взаимодействие антенн. Близкий подход к задаче анализа взаимодействующих электродинамических объектов использован В.В. Никольским и Т.И. Никольской [3,20]. Однако эти работы ориентированы на создание численных методов решения^ задач электродинамики по отношению к волноведущим структурам. В диссертации созданы методы анализа взаимодействия, конструктивно законченных, конечных объектов, в качестве которых могут быть использованы антенны или рассеиватели электромагнитных волн. Поэтому при выполнении работы возникли новые задачи, и оказалось, целесообразным несколько изменить терминологию по сравнению с терминологией в работе [20]. Вместо термина дескриптор режимов» минимального «автономного блока» используется 1 термин,- обобщенная'матрица рассеяния.

Запись обобщенной матрицы рассеяния зависит от выбора вида волн, используемых для описания 'электромагнитного поля, свободного пространства. Плоские электромагнитные волны имеют наиболее простую структуру поля. Однако их использование для расчетов обобщенной матрицы рассеяния реальных антенн конечных размеров представляется малоэффективным. Амплитуды гармоник плоских волн в представлении Фурье связаны с зависимостью электромагнитного поля от пространственных координат на некоторой плоскости двухмерным преобразованием Фурье [15, 16]. Если представить, что для* описания поля используется около ста. пространственных гармоник по каждой из двух координат, то-это означает, что обобщенная» матрица рассеяния будет иметь размер порядка 104х104. Выполнение- вычислений с матрицами таких огромных размеров затруднительно. В работе полагается, что антенну или рассеиватель можно окружить сферой и поля на сфере представить суммой полей сферических гармоник. Так как сферическая поверхность ограничена в пространстве, а плоскость не ограничена, то сферические гармоники позволяют представить поле вблизи рассеивателя сравнительно небольшим числом слагаемых. Сферические гармоники обладают конечной энергией, что позволяет при нахождении полей всегда ограничиться конечным числом слагаемых. Энергия плоской волны конечной амплитуды, напротив, бесконечно велика, что приводит к необходимости складывать большое число слагаемых, амплитуды которых бесконечно малы при представлении поля вблизи рассеивателя. Переход к конечным суммам и решение практических задач о взаимодействии рассеивателей с использованием плоских волн оказывается чрезвычайно громоздкой и сложной вычислительной задачей.

Предложенный в диссертации метод анализа составных СВЧ - систем как вариант метода частичных областей (МЧО). В диссертации в качестве частичных областей выбраны пространственные области, заключенные между двумя сферами, имеющими общий центр. Исключение составляет внутренняя область — шар наименьшего радиуса и внешняя область — внешняя часть пространства по отношению к сфере наибольшего радиуса. Поля на сферах, разделяющих отдельные частичные области, представляются суммой полей сферических гармоник.

Сферические гармоники представляют решения уравнений Максвелла методом разделения переменных в сферической системе координат. Они описаны во многих классических учебниках по электродинамике и математике [4,9,21]. Сферические гармоники применялись при аналитическом решении задач рассеяния плоских волн на сфере [2,3]. Они также используются при определении поля излучения антенн в дальней зоне по результатам измерений их ближнего поля [22]. Сферические гармоники применяются при анализе взаимодействия источников электромагнитных волн или акустических волн с помещением, в котором находится источник [22]. При их использовании метод частичных областей становится более удобным для численного анализа, так как поля описываются дискретным спектром. В этом важное преимущество сферических волн перед плоскими волнами, при применении которых спектр является непрерывным; так как параметр, характеризующий плоскую волну — волновой вектор — является непрерывным параметром. Отметим, что возникающая при этом необходимость вычислений специальных функций (сферических функций Бесселя и присоединенных функций Лежандра) не является проблемой для современной вычислительной техники.

Таким образом, метод анализа антенных систем с помощью обобщенных матриц рассеяния — это обобщение классического матричного метода анализа1 СВЧ - многополюсников: Он отличается физической естественностью, простотой математической' формализации, строгой' теоретической'обоснованностью. Метод широка используется в настоящее время1 на практике при расчете СВЧ - многополюсников. Распространение этого метода на антенные системы приводит к простым алгоритмам, удобным для численного анализа антенных систем:

Цель работы:

Разработка методов расчета антенных систем.с учетом взаимодействия элементов системы друг с другом и с учетом их взаимодействия с рассеивающими телами с помощью обобщенных матриц рассеяния. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- дано описание обобщенной матрицы рассеяния, пояснена ее структура, физический смысл и взаимосвязь с классическими характеристиками антенн;

- рассчитаны обобщенные матрицы рассеяния проволочных антенн;

- определена обобщенная матрица рассеяния сложной антенной системы по известным матрицам рассеяния-отдельных элементов системы;

- получена обобщенная матрица рассеяния? одновходовой двухантенной системы, одна из антенн которой короткозамкнута;

- рассчитаны обобщенные матрицы рассеяния антенных систем из двух параллельных вибраторов и двух соосных вибраторов; выполнено сравнение классических характеристик (входного сопротивления и диаграммы направленности) антенных систем из двух параллельных вибраторов и двух соосных вибраторов, рассчитанных через обобщенные матрицы рассеяния и численным решением интегральных уравнений;

- рассчитаны обобщенные матрицы рассеяния, входное сопротивление и диаграммы направленности антенной системы из рамочной антенны и диэлектрического шара.

Методы исследования:

В работе использовались декомпозиционные методы электродинамики и антенной техники, методы матричной алгебры, численные методы анализа антенн и рассеивателей, а также аппарат специальных математических функций.

Научная новизна:

1. Разработан метод расчета антенных систем с помощью обобщенных матриц рассеяния.

2. Впервые предложена форма представления обобщенной матрицы рассеяния в виде девяти подматриц, удобная для решения поставленных задач.

3. Определена взаимосвязь обобщенных матриц рассеяния с диаграммой направленности антенны. Показано, что диаграмма направленности определяет часть элементов обобщенной матрицы рассеяния и является недостаточной характеристикой для решения задач взаимодействия антенн и антенн с рассеивателем.

4; Получены общие выражения, позволяющие рассчитать обобщенные матрицы рассеяния составных антенных систем по обобщенным матрицам:

• ' • • • 1 ' • . рассеяния элементов, входящих в-систему.

5: Методом обобщенных матриц рассеяния-выполнен расчет антенных систем из двух параллельных вибраторов и двух соосных вибраторов.

6. Методом' обобщенных матриц ' рассеяния выполнен расчет взаимодействия - рамочной антенны с диэлектрическим шаром, чем создана основа' для расчета полей и характеристик^ антенн, расположенных вблизи» головы человека.

В' работе последовательно изложена методика расчета обобщенных матриц рассеяния антенных элементов и рассеивающих тел. Показано," как по обобщенным матрицам рассеяния отдельных; элементов электродинамической; системы определить ее обобщенную матрицу рассеяния; Установлена? связь- обобщенных5; матриц; рассеяния с классическими характеристиками антенн, такими как входное сопротивление и диаграмма направленности.

Обоснованность и- достоверность научных положений; выводов, рекомендаций, сформулированных в диссертации; подтверждается:

- использованием при расчетах обобщенных матриц рассеяния, теоретически обоснованных методов решения уравнений Максвелла в г сферической системе координат, численного решения интегральных, уравнений, компьютерного моделирования, матричного анализа;

- совпадением результатов расчета антенных систем, полученных с помощью* обобщенных матриц рассеяния, с результатами прямого компьютерного моделирования.

Практическая ценность работы заключается:

1. В создании алгоритмов и программ, позволяющих разрабатывать и рассчитывать фазированные антенные решетки с конечным числом элементов с учетом их взаимодействия.

2. В создании алгоритмов и программ, позволяющих рассчитывать характеристики антенн, расположенных вблизи рассеивающих объектов.

3. В создании алгоритмов и программ, позволяющих эффективно определять оптимальное положение бортовых антенн на носителе I автомобиле и т.д.).

4'. В' создании алгоритмов и программ, позволяющих анализировать взаимодействие рамочной антенны с диэлектрическим шаром, что составляет основу для разработки приемо-передающих устройств • персональных средств связи с учетом взаимного влияния антенны и пользователя мобильным средством связи.

Указанные алгоритмы и программы позволяют проектировать антенные системы различных типов.

Реализация и внедрение результатов.

Алгоритм и программы, разработанные в ходе выполнения диссертационной! работы, внедрены в СКВ "РИАЛ" и в НИИИС им. Ю.Е.Седакова. Акты внедрения представлены в приложении 4 диссертации.

Материалы диссертации, имеющие теоретическую значимость, а также метод моделирования и разработанное программное- обеспечение использованы в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров, обучающихся по .радиотехническим и связным специальностям, при чтении курса лекций на кафедре «Физика и техника оптической*связи».

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 составных 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, ссылки даны в заключении по диссертации.

Краткое содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Основные результаты диссертационной работы следующие:

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 ик информацию о ее рассеивающих свойствах. Предложена формам 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 качестве5 которых использованы радиальный, меридиональный и азимутальный диполи. Полученные аналитические соотношения позволяют выполнить численный расчет характеристик антенн.

6. Разработан алгоритм и программа расчета входного сопротивления, диаграммы направленности, элементов обобщенной матрицы рассеяния вибратора с помощью аппарата сферических гармоник, позволяющая повысить эффективность, численного анализа! характеристик антенн.

7. Сравнение результатов, полученных численными методами и с помощью, обобщенных матриц» рассеяния для одиночного вибратора, показало их хорошее совпадение, что подтверждает правильность предложенной методики расчета антенн.

8. Описан метод анализа взаимодействия конструктивно законченных, конечных объектов, размеры* которых не превышают 1 OA,, в качестве которых могут быть использованы антенны или рассеиватели> электромагнитных волн с помощью обобщенных матриц рассеяния, позволяющий оптимизировать процесс анализа таких объектов. Он' позволяет рассчитывать антенные системы произвольной формы, а также позволяет сократить их время ^расчета.

9. Получены аналитические соотношения, позволяющие рассчитать элементы обобщенной матрицы рассеяния сложной (составной) системы по обобщенным матрицам рассеяния ее частей. В качестве типовой решена задача анализа двух взаимодействующих антенных систем. Получена обобщенная матрица рассеяния для частного случая одновходовых антенных систем, представляющих наибольший интерес для практики. Решена задача анализа одновходовой двухантенной системы, одна из антенн которой, замкнута накоротко. Получена ее обобщенная матрица рассеяния, позволяющая определить характеристики рассматриваемой системы.

10.В качестве тестовой задачи выполнен анализ антенных систем из двух параллельных вибраторов и двух соосных вибраторов с помощью обобщенных матриц рассеяния. Проведено сравнительное исследование различных методов, которые иллюстрируют эффективность предложенной методики расчета антенных систем через обобщенные матрицы рассеяния.

11.Проведена оценка необходимого для анализа антенных систем количества сферических гармоник. Показано, что число сферических гармоник определяется размерами антенной системы и оценивается из выражения: (krwvc)2, где к — волновое число, гмах— расстояние от начала координат до самой дальней точка антенной системы.

12.Решена задача взаимодействия рамочной антенны и диэлектрического шара. Создан алгоритм и написана программа расчета взаимодействия рамки с шаром из диэлектрика через обобщенные матрицы рассеяния, позволяющие получить зависимости основных характеристик: диаграммы направленности и входного сопротивления от расстояния между рамкой и шаром. В случае если диэлектрик входит в рамку наблюдается сильное изменение реактивной составляющей входного сопротивления. Этот эффект особенно заметен при близких размерах рамки и шара, а также при значительных диэлектрических проницаемостях шара. Его необходимо учитывать при проектировании приемно-передающих устройств. Иначе входная цепь окажется не настроенной в резонанс и для получения нужной излучаемой мощности придется увеличивать амплитуду сигнала передатчика, что приведет к увеличению помех и увеличит воздействие электромагнитного сигнала на человека.

Материалы диссертации, имеющие теоретическую значимость, а также метод моделирования и разработанное программное обеспечение использованы в инженерных расчетных задачах для проектирования антенных систем различных типов, а также в учебном процессе при подготовке специалистов и магистров, обучающихся по радиотехническим и связным специальностям.

Заключение

1. Марков, Г.Т. Антенны / Г.Т Марков., Д.М. Сазонов// М.: Энергия, 1975. - 528 с.

2. Вайнштейн, JI.A. Электромагнитные волны / JI.A. Вайнштейн// М.: Радио и связь, 1988. - 440 с.

3. Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн / В.В. Никольский, Т.И. Никольская //- М.: Наука, 1989.

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

5. Никольский, В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики /В.В. Никольский //— М.: Наука, 1967. — 460 с.

6. Марков, Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн / Г.Т. Марков и др.// М.: Советское радио, 1979. - 376 с.

7. Стрэттон, Дж.А. Теория электромагнетизма / Дж.А. Стрэттон // Пер. с англ. / Под редакцией С.М. Рытова// М.: Гостехиздат, 1948."

8. Тамм, И.Е. Основы теории электричества / И.Е. Тамм М.: Наука, 1976.

9. Каценеленбаум, Б.З. Высокочастотная электродинамика / Б.З. Каценеленбаум// — М.: Наука, 1966.

10. Ю.Виленкин, Н.Я. Специальные функции и теория представлений групп / Н.Я. Виленкин// М.: Наука, 1991.

11. П.Васильев, Е.Н. Возбуждение тел вращения / Е.Н. Васильев //- М.: Радио и связь, 1987. 272 с.

12. Митра, Р. Вычислительные методы в электродинамике / Под редакцией Р. Митры / Пер. с англ. / Под редакцией Э. JI. Бурштейна//. -М.: Мир, 1977.-с. 485.

13. Пистолькорс, А.А. Развитие отечественной антенной техники / А.А. Пистолькорс, Л.Д. Бахрах, А.П. Курочкин// — Радиотехника, 1995 -№7-8.

14. М.Хенл, X. Теория дифракции: Пер. с нем. / Под редакцией Г.Д. Малюжинца / X. Хенл, А. Мауэ, К. Вестпфаль// М.: Мир, 1964.

15. Зверев, В.А. Радиооптика. Преобразования сигналов в радио и оптике / В.А. Зверев/-М.: Сов. Радио, 1975.

16. Зверев, В.А. Физические основы формирования изображений волновыми полями / В.А. Зверев/ Н. Новгород: ИПФ РАН, 1998. — 252 с.

17. Race, J. Generalized scattering matrix analysis of waveguide discontinuity problems / J. Race, R. MittraII Quasi-Optics, XIV, 172-197, Polytechnic Institute of Brooklyn Press. - New York, 1964.

18. Фельдштейн , A.JI. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ / А.Л. Фельдштейн, Л.Р. Явич// М.: Связь, 1971.

19. Никольский, В.В. Декомпозиционный подход к задачам электродинамики /В.В. Никольский, Т.Н. Никольская // М.: Наука, 1989.

20. Анго, А. Математика для электро- и радиоинженеров / А. Анго// — М.: Наука, 1967.

21. Газазян, Э.Д. К теории измерений характеристик антенн методом сферических гармоник / Э.Д. Газазян, М.И. Иванян// — Известия вузов. Радиофизика. - Том 30, № 10. - 1987. - с. 1221 - 1225.

22. Каценеленбаум, Б.З. Электродинамика антенн* с. полупрозрачными поверхностями. Методы конструктивного синтеза /Б.З. Каценеленбаум//-М.: Наука, 19891

23. Корн, F.T. Справочник по; математике для научных работников и инженеров / 1 \Т. Корн, Т. Корн// М.: Наука, 1974.

24. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими; таблицами./ Под редакцией М. Абрамовича, И. Стиган.// М.: Наука,1979. - 830с.

25. Mathcad 6.0 plus. Финансовые, инженерные и научные расчеты ' в среде Windows 95 / Пер; с англ. М.: Информационно издательский дом « Филинъ », 1996. - 712"с: , '

26. Гальченко, Н.А. Метод квази виртуальных многополюсников- в матрично-электродинамической теории СВЧ - устройств / Н.А. Гальченко, А.В; Кравченко, С.А. Вартаньян //- Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ: -1998.-№3;-с. 10.

27. Кузнецов, Д.С. Специальные функции/ Д.С. Кузнецов//- М.: Высшая школа 1956. - 423с.

28. Свешников, A.F. Теория: функций комплексного переменного/ А.Р.Свешников, А.Н.Тихонов// М;: Наука. - 1967. - 3 04с.

29. Бобровницкий, Ю.И. Акустическая! модель, машины / Ю.И.

30. Бобровницкий, К.А. Мальцев, I-LM. Остапишин; С.Н. Панов// М.:

31. Наука, Акустический журнал. Том 37. — 1991. - вып.6. - с. 1089 — 1097'.

32. Антенны баллистических ракет, спутников и космических станций. / Под редакцией F. Т. Маркова, Е. Н. Васильева// — М.: Дом техники. -1965,-Том 1. — 336с.

33. Резников, Г.Б. Антенны летательных аппаратов/ Г.Б. Резников //- М.: Советское радио.- 1967.-416с.

34. Пригода, Б.А. Антеннылетательных.аппаратов/ Б.А. Пригода,• В:;С." Кокунько//-М:: Воениздат. 1979.- 160с.

35. Сборник « Антенны» (Современное состояние и проблемы) /Под редакцией? JI; Д. Бахраха1 и Д;.И: Воскресенского// М.: Советское радио. - 1979. - Вып; 16.

36. Белоцерковский, Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Часть II. Антенны / Г.Б. Белоцерковский// М.: Радио и.связь. - 1983. — 296с.40;Айзенберг,-Г.З: Антенны УКВ/ Г.З: Айзенберг и др.// М.: Связь.-1977.- Том 1. - 384с.

37. Воскресенский, Д.И.! Антенны и устройства СВЧ / Д.И. Воскресенский и др.//-М.: Радио и связь. 1981.

38. Урусовский, И.А. Об определении характеристики направленности: акустической антенны по измерениям поля в ограниченном объеме / И.А. Урусовский// М.: - Наука, Акустический журнал. - Том 36. -Вып. 1 - с. 148-152.

39. Yaghjian, A.D. Scattering-Matrix Analysis of Linear Periodic Arrays/ A.D. Yaghjian // IEEE Transactions on Antennas and Propagation: - Volume 50. - № 8, August: - pp. 1050 - 1064. - 2002. . .

40. Marocco, G. Broad-Band Horn-Antenna Launchers Modeling by FDTD and Generalized Scattering Matrix Methods / G.Marocco and F. Bardati//

41. EE Transactions on-Antennas and Propagation. Volume 50. - № 12, December. - pp. 1688 - 1696. - 2002.

42. MacPhie , R.H. A Plane Wave Expansion of Spherical Wave Functions forj

43. Modal Analysis of Guided-Wave Structures and Scatterers/ R.H. MacPhie and K.L. Wu// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. -Volume 51. - № 10, October. - pp. 2801 - 2804. - 2003.

44. Gardner, J.S. Approximate Expansion of a Narrow Gaussian Beam in Spherical Vector Wave Functions / J.S. Gardner// IEEE Transactions on Antennas and Propagation. - Volume 55. - № 11, November. - pp. 3172 — 3177.-2007.

45. Kokkorakis, G.C. EM Field Induced in Inhomogeneous Dielectric Spheres by External Sources / G.C. Kokkorakis and J.G. Fikioris //- IEEE Transactions on Antennas and Propagation. Volume 55. - № 11, November. - pp. 3178 - 3190. - 2007.

46. Калантаров, П.Л. Расчет индуктивностей. Справочная книга / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин// Л.: Энергоатомиздат. - 1986.

47. Ковалев, И.П. Динамика импульсных характеристик приемных антенн при движении источника излучения / И.П. Ковалев, Н.И Кузикова // Труды НГТУ. Физические технологии в машиноведении. -Н. Новгород, 1998. с.58-63.

48. Кузикова, Н.И. Анализ полей излучения импульсного радара в ближней и дальней зонах / Н.И. Кузикова // Труды НГТУ. Физические технологии в машиноведении. — Н. Новгород, 1998. -с.63-66.

49. Ковалев, .И.П1. Расчет полей изучения и характеристик импульсных ТЕМ систем / И.П. Ковалев, Н.И. Кузикова // Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ: тез. докл. VI Междунар. науч.-техн. конф.

50. Самара, 1999. Т.7, № 3. - с. 103.

51. Кузикова, Н.И. Преобразования-сферических гармоник и обобщенныхIматриц рассеяния антенных систем при смене системы координат / Н.И. Кузикова // Антенны. 2004. - Вып. 1(81). - с.79-84.

52. Кузикова, Н.И. Обобщенные матрицы рассеяния антенн при описании электромагнитного поля через сферические гармоники / Н.И. Кузикова // Информационные системы и технологии. ИСТ-2005: тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. Н. Новгород, 2005. - с.35-36.

53. Кузикова, Н.И. Расчет диаграммы направленности с помощью метода' обобщенных матриц рассеяния / Н.И. Кузикова // Антенны. 2007. -Вып.11(126). - с.67-72.

54. Кузикова, Н.И. Зависимость точности расчета характеристик антенных систем от размерности обобщенных матриц рассеяния / Н.И Кузикова // Информационные системы и технологии. ИСТ-2009: тез. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Н. Новгород, 2009. - с.67