автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Дифракция электромагнитных волн на неоднородных сферических телах

На правах рукописи

Гизатуллин Марат Галимянович

ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА НЕОДНОРОДНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ТЕЛАХ

Специальность 05.12.07-Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород - 2008

003459674

Работа выполнена на кафедре «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатеринбург).

Научный руководитель - заслуженный деятель науки Российской

Федерации, доктор технических наук, профессор Панченко Борис Алексеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белов Юрий Георгиевич,

кандидат технических наук Титаренко Алексей Александрович.

Ведущая организация - Открытое акционерное общество «Уральское проектно-конструкторское бюро «Деталь», г. Каменск-Уральский.

Защита состоится 18 февраля 2009 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. К. Минина, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан /^января 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

A.B. Назаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электромагнитная теория является одной из основ электроники, радиолокации и связи. В связи с тенденциями перехода в область терагерцового и оптического диапазонов волн, электродинамические методы расчета устройств в области электроники, радиолокации и связи приобретают дополнительное применение.

Рациональные методы решения электродинамических задач, дополнительные возможности вычислительной техники, появление новых высокотехнологичных материалов расширило область их применения и стимулировало к новому решению ряда классических задач электромагнитной дифракции и возбуждения. К таким задачам относится классическая задача дифракции электромагнитных волн на сферических телах. Дополнительно к имеющимся исследованиям и публикациям [1]-[3], получены новые результаты, которые, во-первых, потребовались для практических применений, во-вторых, расширили перечень данных, полученных ранее.

Некоторые актуальные направления задач дифракции на сферических телах, разработанные в диссертационной работе:

1 Результаты по дифракции электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах. Учитываются омические потери в металлических и диэлектрических элементах структур, устанавливается распределение токов на поверхности проводящих сфер, более тщательно исследованы фазовые характеристики полей, получены дополнительные результаты по рассеянию электромагнитных волн круговой поляризации падающего поля для гладких и многослойных сферических структур.

2 Исследуются полевые и мощностные характеристики рассеяния и поглощения тел с однослойным и многослойным укрытием, ставятся цели снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР), использования сферических тел для калибровки и определения характеристик рассеяния реальных целей.

3 Рассматриваются новые материалы, как традиционные диэлектрики с экстремально низкими и экстремально высокими коэффициентами поглощения, так и принципиально новые материалы - метаматериалы.

4 В связи с широким распространением персональных средств связи, исследуется актуальная задача рассеяния и поглощения электромагнитных волн моделью частей тела, в частности, моделью головы человека - пользователя мобильным средством связи.

Цель диссертации - на базе использования тензорных функций Грина построить универсальный аппарат решения векторных задач электромагнитного возбуждения и дифракции для неоднородных сферических тел.

Расширить возможности расчета электромагнитных полей для любых подобластей сферических структур с учетом омических потерь.

Использование современных материалов, включая метаматериалы для решения актуальных задач СВЧ техники.

Исследование механизма и получение численных результатов, характеризующих взаимное влияние антенны мобильного средства связи и модели голо-

вы пользователя.

Объект исследования. Объектами исследования являются: металлические и диэлектрические сферы с учетом проводимости, омических потерь в материалах; металлические тела с защитными покрытиями; структуры, содержащие ме-таматериалы; модель, имитирующая голову человека - пользователя мобильным средством связи.

Методы исследования. Строгое электродинамическое решение задач дифракции, получение численных результатов с использованием разработанных подпрограмм расчета последовательности сферических функций Бесселя от-комплексного аргумента.

Научная новизна.

1 Построен универсальный аппарат решения векторных задач электромагнитной дифракции на неоднородных сферических телах.

2 Использование ориентированных токов, напряжений, импедансов и адмитансов создало возможность универсальной и компактной записи решения в виде цепных дробей.

3 Предложенная запись тензоров Грина в замкнутой форме позволяет анализировать поля в любом слое структуры и за ее пределами.

4 Использование новых защитных материалов и метаматериалов позволило определить дополнительные возможности рассеяния и поглощения электромагнитных волн.

5 Построена и исследована электрофизическая модель головы человека -пользователя мобильным средством связи при дифракции электромагнитных волн сотовых диапазонов связи (для выделенных диапазонов частот).

6 Решена электродинамическая задача возбуждения модели головы пользователя антенной мобильного средства связи.

7 Проведен расчет искажений антенных характеристик аппарата связи в выделенных диапазонах частот в присутствии модели.

8 Проведен расчет параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи в модели. В том числе коэффициента поглощения всей моделью.

9 Разработан эффективный алгоритм расчета последовательности функций Бесселя, Неймана и Ганкеля полуцелого порядка от комплексных амплитуд в широких пределах изменений индексов функций и значений аргумента.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается строгой постановкой решения электродинамической задачи дифракции. Для проверки правильности аналитического и численного решения используется частичная проверка результатов.

Практическая значимость диссертационной работы.

Рассеяние на сферических телах одна из немногих трехмерных задач, которая допускает строгое решение и в этом плане сфера может быть использована для калибровки эффективной площади рассеяния сложных объектов.

Для теоретических и модельных задач дифракции получены обширные численные результаты, которые позволяют, в частности, выявить дополни-

тельные возможности по снижению или увеличению эффективной площади рассеяния в интересах решения задач радиопротиводействия и радиомаскировки.

По результатам исследования дифракции на модели головы человека сделаны выводы о влиянии положения антенны и рабочей частоты на эффект поглощения и изменения характеристик антенны.

Реализация и внедрение результатов. Материалы диссертационной работы используются в ряде профильных организаций Уральского региона. В частности результаты используются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах отдела Открытого акционерного общества «Опытного конструкторского бюро «Новатор».

Полученные результаты используются при чтении курса «Направляющие системы электросвязи» на кафедре «Многоканальная электрическая связь»; «Безопасность жизнедеятельности», «Электромагнитные поля и волны» на кафедре «Общепрофессиональные дисциплины технических специальностей» УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»; «Структура и организация линий связи» на кафедре «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения», результаты исследований переданы на кафедру «Безопасность жизнедеятельности» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Материалы диссертационной работы вошли в монографии: «Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах» - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. - 88 с; «Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами»: Монография. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. - 117 с.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Десятой Всероссийской студенческой научно-технической Интернет-конференции «Информационные технологии и электроника» и Девятой отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» (г. Екатеринбург, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» (г. Екатеринбург, 2006 г.); Международной конференции The First European Conference on Antennas and Propagation (г. Ницца, Франция, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2007» (г. Екатеринбург, 2007 г.); Второй Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2007» (г. Каменск-Уральский, 2007 г.); Международной конференции The Second European Conference on Antennas and Propagation (г. Эдинбург, Великобритания, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2008» в рамках 5-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2008» (г. Екатеринбург, 2008 г.); Международной конференции Metamaterials (г. Памплона, Испания, 2008 г.).

По результатам диссертационной работы имеются 16 публикаций, в том числе: 2 статьи в научно-технических журналах, включенные в список ВАК РФ, две монографии.

Положения, выносимые на защиту:

1 Универсальный метод решения векторных волновых уравнений в виде тензорных функций Грина для многослойных сферических областей при использовании ориентированных токов, напряжений, импедансов и адмитансов для сокращения записи формального решения задачи со многими подобластями и последующей алгоритмизацией численных процедур.

2 Новые результаты характеристик рассеяния и поглощения для проводящих и диэлектрических сфер.

3 Рекомендации по снижению или увеличению эффективной площади рассеяния тел с многослойными укрытиями. Численный синтез характеристик укрытий по заданным критериям рассеяния.

4 Выявлены дополнительные возможности рассеяния электромагнитных волн на телах из метаматериалов.

5 Электрофизическая модель головы человека (для выделенных диапазонов частот).

6 Численные результаты, выводы по рассеянию и характеристикам поглощения электромагнитных волн моделью головы человека.

7 Решение электродинамической задачи возбуждения модели головы человека антенной мобильного средства связи. Результаты расчета искажений антенных характеристик аппарата связи в присутствия модели.

8 Численные результаты расчета параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи в модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка работ, опубликованных по теме диссертации, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 124 страницы основного текста, содержит 152 рисунка, 7 таблиц, 6 страниц списка литературы (69 наименований), 8 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, обоснована их достоверность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, дается краткое содержание диссертационной работы, приведен анализ отечественной и зарубежной литературы, посвященной теме диссертационной работы.

В первой главе диссертационной работы описана методика получения характеристик рассеяния сферических тел. Производится преобразование общих представлений тензоров Грина при возбуждении удаленными поперечными источниками. Записываются поперечные части тензоров Грина. Определяется поляризация электромагнитного поля. Выделяется рассеянная часть поля. Записываются электромагнитные поля во внешней области. Приводятся квадратичные (энергетические) характеристики при дифракции, оптическая теорема и вектор Пойнтинга для расчета потерь.

Во второй главе диссертационной работы рассмотрены основные вопросы, связанные с дифракцией электромагнитных волн на проводящих сферах [4].

Получены дополнительные сведения о дифракционных характеристиках металлических сфер. В частности, получены данные о дифракции на сферах с высокой проводимостью, определена мутация фазового центра при рассеянии.

Описаны и исследованы рассеивающие свойства объекта, а также электромагнитное рассеянное поле во внешней области.

Произведен расчет рассеянного поля в обратном и попутном направлениях.

Определены потери энергии на образование кроссполяризационной составляющей в конусе углов с граничным значением в0 для нескольких значений радиуса сферы для случая линейной и круговой поляризации падающего поля.

Определены, полный коэффициент рассеяния металлической сферы, парциальные коэффициенты рассеяния для случая линейной и круговой поляризации падающего поля.

Определена плотность электрического тока на поверхности идеально проводящей сферы.

Рассчитаны распределения амплитуды и фазы токов в меридиональной и азимутальной плоскостях, приведены зависимости суммарных амплитуд токов от угла в для нескольких значений радиуса сферы для случая линейной и круговой поляризации падающего поля.

Определен коэффициент полезного действия рассеянного поля по основной составляющей в конусе углов с граничным значением в0.

Результаты расчетов рассеянного поля, записанные в базовой сферической системе координат, получены с использованием разработанных подпрограмм расчета последовательности сферических функций Бесселя, Неймана, Ганкеля и полиномов Лежандра.

Характеристические части функции Грина записываются для структуры, граница которой определяется радиусом сферы а.

Приведены диаграммы рассеяния для нескольких значений а.

Дополнительно приведены формулы для расчета рассеянного поля в обратном (в = 0) и попутном (в = ж) направлениях:

М<0.(°)1. 1

кпа кпа 2кпа

кпа

И. И.

кпа

1

2 к„а

п=|

¿(2/7 + 1)(М„ + //„)

(1)

Для определения поля по основной (оп) и кроссполяризационной (кп) составляющим необходимо перейти к альтернативной сферической системе координат. Диаграммы рассеяния для оп и кп определяются формулами:

I- -1 ква „,1

I- ЛлД

¿Я, {[г„Л/„-!•„#„]ее«2<?)

(2)

Для любого угла <р и к0а поле кп в обратном направлении отсутствует. Составляющие поля кп отсутствуют также в главных плоскостях {<р = 0,<р = 90°).

Для поля в «попутном» направлении в диагональной плоскости (<? = 45°) амплитуды составляющих оп и кп одинаковы и определяются выражением:

F'

л я,—

j г

И 1 !

<2./.J,

J.........:..............-Шз

Рисунок 2 - То же, что на рисунке 1 (круговая поляризация падающего поля)

о ю •« ¿о so loo ш на 160 I

Рисунок 1 - Потери энергии на образование кп ajk,fl): 1 - aj()5)\ 2 -«„/1.0,1; 3 - aJ3.0J; 4- aJS.O) (линейная поляризация падающего поля)

Определен коэффициент рассеяния металлической сферы, раздельный вклад в коэффициент рассеяния частей мощности, связанных с 0-й и <р-й составляющими рассеянного поля:

2

(¿0а) „»1 v '

(4)

Для падающего поля круговой поляризации, в качестве поля {оп), условно принято поле правого вращения, поле (кп) - левого вращения. Радиолокационный коэффициент рассеяния (£ = 0,(э = 0):

г(0,0) =

' (V)2

Е(2л + 1)(-1)"[М.-Лд

(5)

Коэффициент рассеяния в «попутном» направлении (6 = л, <р = 0):

г(л,0) =

(М

£(2я + 1)[Л/„+Л/„] . (6)

Приведены частотные графики коэффициентов рассеяния сг(0,0), сг(л,0).

О 01 1 и 1 21 з 31 4 41

Рисунок 3: 1 - а,, 2 - сгй, 3 - аф (точками на кривой 1 отмечено суммирование ад+а^)

Рисунок 4: 1 - а,, 2 - аш = <т„, 3 -

Плотность электрического тока на поверхности идеально проводящей сферы радиуса а определена напряженностью магнитного поля по правилу = [агН(й)]. Определены составляющие электрического тока на поверхности

сферы для линейной вертикальной и круговой поляризации падающего поля.

Рассматриваются электрические характеристики малых сферических тел для линейной поляризации падающего поля [5], [6]. Магнитное поле определено вблизи поверхности металлической сферы, учтена дифрагированная часть поля и напряженность поля падающей волны.

При рассмотрении дифракции поля круговой поляризации на малых сферах, поле падающей волны имеет правое направление вращения вектора напряженности электрического поля.

Рассмотрено рассеяние на сферах из материала с конечной проводимостью g. Определены ориентированные нормированные импедансы и адмитансы для расчета рассеянного поля. Для малых размеров сферы получена приближенная формула для коэффициента рассеяния:

Положение виртуального центра сферической волны, рассеянной сферой, определяет фазовый центр [7]. Это положение определяется фазовой характеристикой рассеянного поля. Смещение фазового центра относительно геометрического центра сферического рассеивателя зависит от электрических размеров сферы и направления, вдоль которого определяется рассеянное поле Е' (6,ср), поляризации падающей волны. Определена координата фазового центра. Если в = вп <р = <р, и поляризация линейная 0 = ува,() - имеет место моностатический случай, при котором фазовый центр волны правого вращения практически совпадает с геометрическим центром сферы. Приведено перемещение положения фазового центра в зависимости от угла наблюдения 9 в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Для кп составляющей (левое вращение) фазовый центр совпадает с геометрическим центром для попутного направле-

р40ж2ёа 1 0 7 ^240л^а)

(7)

ния.

В третьей главе диссертационной работы рассмотрены основные вопросы, связанные с дифракцией электромагнитных волн на диэлектрических сферах. Получены дополнительные сведения о дифракционных характеристиках диэлектрических сфер. В частности, приведены частотные зависимости поля в центре сферы от электрического радиуса для нескольких диэлектриков без потерь. Для произвольных размеров диэлектрической сферы численные результаты для поля внутри тела получены для материалов, свойства которых соответствуют воде в световом и сантиметровом диапазонах волн [4]. Определены и исследованы в световом диапазоне волн металлические шары, которые могут быть отнесены к диэлектрикам с большими потерями [2], [4].

Электромагнитное поле существует в двух областях - внешней и внутри диэлектрического тела (радиус - а, относительная диэлектрическая проницаемость — £•')• Определены напряженность электрического поля во внутренней области (0 < г <, а) при линейной поляризации падающего поля, также для дифрагированного поля круговой поляризации; нормированные направленные импедансы и адмитансы для диэлектрической сферы. Наличие границы раздела между внутренней и внешней областями позволяет рассматривать сферу как диэлектрический резонатор.

На рисунке 5 приведены частотные зависимости поля в центре сферы ¡¿„(О)! от электрического радиуса для нескольких диэлектриков без потерь (линейная поляризация падающего поля).

Рисунок 5: |я„(0)|: 1 - 7^ = 1.33, 2 - 4е' = 1.Ь, 3 - 7^ = 3.8, 4- 7? = 9 Таблица 1 - Данные о свойствах водяных капель

Диапазон волн Коэффициент преломления п = Максимальное значение к0а

Световой 1.33 5.0

Я^ =3 мм 3.41-/-1.94 3.0

\ = 30 мм 8.18-1-1.96 1.0

= 100 мм 8.9-/-0.69 0.6

Получены частотные графики зависимости поля в центре диэлектрического шара для трех, отмеченных в таблице 1 поддиапазонов СМ волн.

Распределение компонентов поля вдоль радиальной координаты - \Ёв{г)\, |£»|, рассчитаны для частотных поддиапазонов таблицы 1 для двух фиксированных значений к0а, находящихся вблизи резонансов и соответствующих реальным размерам водяных капель.

Для определения общих потерь в структуре используют оптическую теорему, для определения потерь в слоях используют запись тензоров Грина для отдельных областей.

Для падающей волны линейной поляризации, рассеянные поля определены для поддиапазонов радиочастот, приведенных в таблице 1. Расчетные формулы:

Для сравнения получены данные и для рассеянных полей водяной капли в световом диапазоне.

При облучении капли полем круговой поляризации, падающая волна расщепляется на две составляющие с противоположными направлениями вращения векторов поля:

Приведены частотные графики коэффициентов: рассеяния а,, поглощения а„ и экстинкции а, = сх + оа для обозначенных в таблице 1 поддиапазонов волн.

В качестве материала металлических шаров в световом диапазоне волн выбрано железо. Результаты, могут быть получены для шаров из других металлов, например, золота.

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрены основные вопросы, связанные с дифракцией электромагнитных волн на сфере, содержащей материалы с отрицательным коэффициентом рефракции.

Основные успехи в области материаловедения связаны с созданием и использованием принципиально новых материалов - «метаматериалами» (МТМ) [8]-[11]. За новыми материалами закрепилось несколько названий: «Left-handed materials» (LHM), материалы «Double negative media» (DNGM). Традиционные магнитодиэлектрики иногда называют «Right-handed materials» (RHM).

В частности, рассмотрена задача дифракции волн линейной и круговой поляризации падающего поля. Приводятся численные результаты рассеянного поля от сферы в дальней зоне, для материала с отрицательным коэффициентом рефракции для нескольких значений радиуса сферы; частотные графики коэффициентов рассеяния для линейной и круговой поляризации падающего поля, частотные графики коэффициента рассеяния для нескольких толщин обкладки.

fCQCl KqQ n=i I

(8)

(9)

Полученные результаты для характеристик рассеяния и поглощения электромагнитных волн на сферах из искусственного материала с отрицательным коэффициентом рефракции создают предпосылки для новых технических решений в задачах радиопродиводействия и снижения эффективной площади рассеяния воздушных и морских целей.

Рассматривается задача дифракции волн линейной поляризации падающего поля. Рассеянное поле от сферы в дальней зоне (0)|, (<9)|. В качестве

материала с дважды отрицательными электрофизическими характеристиками DNGM выбрана отечественная разработка со следующими характеристиками: £•' = -1.4-1 0.1, = —1.3 —г-0.1 [12]. Диаграммы рассеяния существенно отличаются от соответствующих характеристик диэлектрических и металлических рассеивателей.

Рассмотрена задача дифракции волн круговой поляризации падающего поля. При падении на сферу из ОЫОУ! электромагнитной волны правого кругового вращения рассеянное поле имеет составляющую правого (£)| и левого вращения.

Рисунок 6: 1 - )/•;' (0)], 2 - (0)] для Рисунок 7: 1 - (0)|, 2 - (0)| для

к0а = 0.5 кйа = 0.5

Расчетные формулы для основных характеристик рассеяния получены с использованием асимптотических представлений сферических функций

О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3,5 4 4.5 5

к,а

Рисунок 8: I - <тг, 2 - ег,, 3 -

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 Ка

Рисунок 9: 1 - сг„, 2 - ал,, 3 -о-™ +о"„,

В пятой главе диссертационной работы рассмотрены основные вопросы,

связанные с дифракцией на проводящих сферах с магнитодиэлектрическим укрытием.

Исследовано рассеяние и поглощение электромагнитных волн на проводящих сферах с однослойным покрытием.

1 х

Е', М'

=Ь-а

/ •/ ЛА Е=С„-а(

/•*/

ь 1*1

Рисунок 10 - Модельная задача Исследованы несколько типов отечественных и зарубежных материалов. Показано влияние этих материалов на характеристики рассеяния сферических тел.

В диссертационной работе приводятся результаты численных исследований материала [7], для которого ц' = \, E^^Ri{£^)-i■вO■X0^g, где g - проводимость в См/м. В качестве рабочих размеров металлической сферы выбраны к0а, соответствующие максимальным значениям аг из графика радиолокационного коэффициента рассеяния. Это к0а = 1.1 (ст. = З.б), к0а = 2.35 (ст. = 2.0).

Вторая серия численных результатов получена также для материалов «Лист-27» (ТУ 2539-038-00152075-2002). Резина выпускается в двух вариантах: 512190 и 51-2191. Среди материалов исследованы более ранние разработки: стеклопластик ЭДТ-ЮКЖГФ, полиамид ПА6 (ТУ 6-05-988-87). Исследована еще одна серия диэлектрических материалов [13] (рисунки 11, 12).

Рисунок 12 - То же, что на рисунке 11, для 1 = 15мм

Рисунок 11: 1 - аг, 2- оа, 3- а,; е' = 15-1-5; = диаметр сферы 500мм;I=5мм

Частотная равномерность а1 для к0а > 3 объясняется интегрированием рассеянной мощности по всем направлениям и сглаживанием осцилляций за счет потерь в обкладке.

Колебательный характер ст. связан с интерференцией волн тока на проводящей поверхности, огибающих сферу через «северный» и «южный» полюса (при вертикальной поляризации падающего поля).

Результаты расчетов также приведены для следующих материалов: е' = 4.48-/-1.87, г ' = 5.21-/1.18, е ' = 7.08-/-2.32, е' = 9.84-/-4.95, е ' = 12.73-7-8.13 для разных толщин обкладки [14].

Для приближенного определения момента появления поверхностных волн использован плоский аналог структуры с диэлектрическим слоем.

В шестой главе диссертационной работы рассмотрены основные вопросы, связанные с рассеянием и поглощением электромагнитных волн сотовых диапазонов связи моделью головы человека [15].

Для распространенных стандартов сотовой связи получены данные по основным электрическим характеристикам, которые определяются при решении задачи дифракции на принятой модели; антенные характеристики сотовых телефонов вблизи модели.

В качестве модели головы человека, выбрана шестислойная сферическая структура. Модель построена на основе анатомических данных и результатов экспериментальных измерений характеристик живых тканей. Основной электрофизической характеристикой является комплексная относительная диэлектрическая проницаемость слоев г' = Ке(с')-Мт(У).

На основании статистических данных внешний диаметр модели выбран 18см.

Поляризация падающего поля - линейная, записывается в сферической системе координат — Е = Е0 -а0. При 0 = 0 вектор Е параллелен оси Ох.

Поле представлено в виде разложения по ортогональной системе волн типа Е и Н. В поперечных сечениях структуры используются Фурье-разложение, характеристическая часть функций связана с радиальными координатами и учитывает пересчет от слоя к слою с помощью ориентированных модальных импедансов и адмитансов [16].

Таблица 2 - Характеристики слоев модели

Ткань s' = Re(s ')-/■!m(s') Граничные радиусы слоев а,, м

NMT-450 GSM-900 GSM-1800

Кожный покров 45.753-(-0.709 41.405-1-0.867 38.87-/-1.85 0.09

Жировая прослойка 5.56-/ 0.041 5.462- /• 0.051 5.349-/-0.078 0.089

Костная часть 13.038-/ 0.095 12.453-/0.143 11.78-/-0.275 0.0876

Хрящевая прослойка (Dura) 46.243-i-0.839 44.426- /-0.961 42.893-/-1.32 0.0835

Цереброспинальная жидкость (CSF) 70.481-/-2.264 68.638-/-2.412 67.2-/-2.923 0.083

Мозг 56.55-/-0.758 52.72-/-0.942 50.08-/-1.391 0.081

На рисунке 14 приведены диаграммы рассеяния в главных, плоскостях (р=0, ф = ,т/2) для трех обозначенных в таблице2 стандартов сотовой связи.

Рисунок %аиММТ-450,б- ОШ^ОО, в - Й$М-1800; | - Ё*(е),2- Ё» (&)

Форма диаграмм близка к осесим метричной. Главный лепесток сужается с ростом электрического радиуса модели (V). На высоких частотах 800)

уровень и число боковых лепестков увеличивается.

Характер диаграмм рассеяния сохраняется для оп и кп в диагональной плоскости.

Определена угловая зависимость модуля коэффициента деполяризации для трех стандартов сотовой связи.

Таблица 3 - Численные значения коэффициентов

Коэффициенты ММТ-450 (^, = ^0 = 0.848) СЙМ-ЭДО СЭМ-18(10

ет 1.782 (1,46) 2.254 (2.126* 1.541 (2.151)

С7а 0.726 0,4 ¡2 0.933

а, =и,+ао 2.508 2.665 2.474

<7(0,0) 0.341 0,627 2.201

сг(тг:0) 5.019 6.109 17.614

0 24 0.34 0.271

Во второй строке таблицы 3 в скобках для сравнения указаны значения коэффициентов рассеяния металлического шара тех же размеров.

На рисунке 15 приведены диаграммы направленности антенны в плоскости Е (вертикальная плоскость) и е плоскости Н (горизонтальная плоскость). В качестве излучателя выбрана штыревая антенна - вертикальный вибратор. Расстояние от антенны до модели 20мм .

Рисунок 15: а - ММТ-450, к„Ь = 1.037 ; б - С5М-900, *„г> = 2.073; В-С5М-1800, ¿„¿ = 4.147; 1 - Ёо(в),2- Ё„(0)

Для оценки вводится коэффициент влияния - Я,: = К,,!?.,, где К„ -сопротивление излучения антенны в свободном пространстве, сопротивление излучения антенны — . Модель оказывает минимальные влияния на антенну при расстояниях между антенной и моделью не менее 15-25мм, На рисунке 16 показаны изменения диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях для трех положений антенны относительно модели.

Рисунок 16: а - Щв): ] - 2см, 2 - 10см, 3 - 20 см; б - Е„(<?): 1 -2 см, 2 - 10 см,

3 -20 см; С5М-900

Из рисунков 16а, 166 видно, что уже при удалении антенны на 20см от модели, диаграммы направленности становятся схожими с диаграммами направленности антенны в свободном пространстве.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложениях приведены: запись тензорных функций Грина сферических областей; акт внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 При решении задачи дифракции используется универсальная запись тензоров Грина для многослойных сферических областей. Представление компонентов тензоров в виде цепных дробей способствуют алгоритмизации вычислительных процедур при расчетах.

2 Получены результаты о дифракционных характеристиках металлических и диэлектрических сфер. В частности, получены данные о дифракции на сферах с конечной проводимостью, определена мутация фазового центра при рассеянии.

3 Исследованы дифракционные свойства объектов, выполненных из мета-материалов. Выявлены аномальные явления рассеяния.

4 Исследовано влияние защитных материалов на эффективную площадь рассеяния сферических объектов. Выявлено влияние поверхностных волн в структурах на снижение эффективной площади рассеяния.

5 Исследовано рассеяние и поглощение электромагнитных волн принятой моделью - пользователя персональным средством связи. В качестве модели головы человека, выбрана шестислойная сферическая структура. Модель построена на основе анатомических данных и результатов экспериментальных измерений характеристик живых тканей. Основной электрофизической характеристикой является комплексная относительная диэлектрическая проницаемость слоев.

6 Для выделенных стандартов сотовой связи получены данные о диаграммах рассеяния, коэффициентах рассеяния и поглощения.

7 Поставлена и решена электродинамическая задача возбуждения модели головы человека антенной мобильного средства связи. Проведен расчет антенных характеристик электрического вибратора. Проведен расчет зависимости сопротивления излучения антенны от положения антенны относительно модели. Установлено, что небольшое удаление антенны мобильного средства связи от модели головы человека способствует существенному уменьшению доли электромагнитной мощности, поглощаемой моделью. Основным фактором, способствующим уменьшению искажений антенных характеристик аппарата связи, является расстояние от антенны аппарата связи до модели.

8 Методика расчета позволяет определить параметры, характеризующие поглощение мощности, излучаемой вибратором, в отдельных слоях модели (удельный коэффициент поглощения SAR - specific absorption ratio).

9 Разработаны, опробованы и систематически применялись собственные подпрограммы расчета последовательности функций Бесселя полуцелого порядка от комплексного аргумента. При расчетах гарантировалась заданная точность вычислений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Панченко Б., Глотов Е., Козлов С., Гизатуллин М. Электромагнитное рассеяние сферических тел, выполненных из материалов с мнимым и отрицательным коэффициентом преломления // Вестник УГТУ-УПИ. Информацион-

ные системы и технологии в радиотехнике, связи, автоматике и управлении: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, №17 (69). - 323 с.

2 Панченко Б.А., Козлов С.А., Глотов Е.Н, Гизатуллин М.Г. Коэффициент рассеяния сферического тела из композиционного материала с отрицательным коэффициентом преломления // Вестник УГТУ-УПИ. Теория и практика радиолокации земной поверхности: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, №19 (71).

3 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Рассеяние электромагнитных волн круговой поляризации на сферических телах // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических трудов.' Выпуск 4 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2005. - 252 с.

4 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Поляризационные потери при дифракции электромагнитных волн на сфере // Теория, техника и экономика сетей связи: сборник научно-технических трудов. Выпуск 4 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2005. - 252 с.

5 Panchenko В., Glotov Е., Gizatullin М. Scattering and absorption of electromagnetic waves in inhomogeneous bodies // EuCAP, Nice, France, 2006,vol. 1, p.218.

6 Панченко Б.А., Бачурин B.C., Гизатуллин М.Г., Глотов Е.Н. Современные аспекты задач электромагнитной дифракции на сферических телах // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2006. - 500 с.

7 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция на диэлектрических сферах. Внутренняя задача // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 5 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2006. - 296 с.

8 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г., Игитханян Г.В. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн на неоднородных телах // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 5 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2006.-296 с.

9 Panchenko В., Gizatullin М. Synthesis of plane and curved multilayer electromagnetic absorbers // EuCAP, Edinburgh, UK, 2007, p. 518.

10 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.-88 с.

11 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Синтез покрытий с минимальным рассеиванием электромагнитных волн И 2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиовысотометрия-2007», Каменск-Уральский, ОАО «УПКБ «Деталь», 2007.

12 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция электромагнитной волны круговой поляризации на слоистой структуре // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 6 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.-292 с.

13 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г., Глотов Е.Н. Дифракция плоской электромагнитной волны на проводящей сфере с поглощающим слоем // Научные

труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2007». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2007. - 464 с.

14 Panchenko Boris, Gizatullin Marat, Knyazev Sergey, Shabunin Sergey. Metamaterials using for radiation enhancing of coaxial transmission // Metamaterials, Pamplona, Spain, 2008.

15 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Воздействие электромагнитного облучения сотовых диапазонов связи на модель головы пользователя // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2008» в рамках 5-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2008». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2008.

16 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами: Монография. — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. - 117 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Хёнл X., Мауэ А., Вестпфаль К. Теория дифракции. - М.: Мир, 1964.

[2] Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973.

[3] Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. - М.: Радио и связь, 1983.

[4] Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. - М.: ИЛ, 1961.

[5] Mie G., Physik Ann. d., 1908, 25, 377.

[6] Debye P., Physik Ann. d., 1909, 30,57.

[7] Кобак B.O. Радиолокационные отражатели. - M.: Советское радио, 1975.

[8] Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями £ и ц // Успехи физических наук, 1967, Т.92, Вып. №3. - 517 с.

[9] Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., and Stewart W.J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1999, vol. 47, № 11, pp. 2075-2081.

[10] Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., and Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett., 2000, vol. 84, pp. 4184-4187.

[11] Ziolkowski R.W. // IEEE Trans, AP, 2003, vol. 51, № 7, pp. 1516-1529.

[12] Lagarkov V.N, Kissel V.N. // Pros, of the Symp. F. ISVAT 2003. - World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 2003, pp. 157-160.

[13] Strifors H.C, Gaunaurd G.C. Scattering of electromagnetic pulses by simple-shaped targets with radar cross section modified by a dielectric coating // IEEE Transactions on antennas and propagation, 1998, vol. 46, № 9, pp.1252-1262.

[14] Cui S, Weile D.S, Volakis J.L. Novel planar electromagnetic absorber designs using genetic algorithms // IEEE Transactions on antennas and propagation, 2006, vol. 54, № 6, pp.1811-1817.

[15] Panchenko B, Kozlov S, Knyazev S. // International Symposium on Antennas. Nice, 2002, vol. 1, p. 215.

[16] Панченко Б.A. // Радиотехника и электроника, РАН, 2004, Т. 49. № 11. - 1350 с.

до

Подписано в печать 11.01.2009 формат бумаги 62x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № 10 изд. л. 1, тираж 100, заказ № 384 Типография УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ» 620109, г. Екатеринбург, ул. Репина, 15

Введение

Глава 1 Характеристики рассеяния сферических тел

1.1 Преобразования общих представлений тензоров Грина при возбуждении удаленными поперечными источниками

1.2 Поперечные части тензоров Грина

1.3 Поляризация электромагнитного поля

1.4 Выделение рассеянной части поля

1.5 Электромагнитные поля во внешней области

1.6 Квадратичные (энергетические) характеристики при дифракции

1.7 Использование оптической теоремы и вектора Пойнтинга для расчета потерь

1.8 Выводы

Глава 2 Дифракция электромагнитных волн на проводящих сферах

2.1 Идеально проводящая сфера. Линейная поляризация падающего

2.2 Круговая поляризация падающего поля

2.3 Распределение токов на поверхности проводящей сферы

2.4 Дифракция на малых сферах

2.5 Рассеяние волн сферой с конечной проводимостью

2.6 Положение фазового центра

2.7 Выводы

Глава 3 Дифракция электромагнитных волн на диэлектрических сферах

3.1 Внутренняя задача

3.2 Электродинамика водяной капли. Полевые характеристики

3.3 Коэффициенты рассеяния и поглощения водяной капли

3.4 Дифракция света на железных шарах

3.5 Выводы

Глава 4 Дифракция на сфере, содержащей материалы с отрицательным 80 коэффициентом рефракции

4.1 Электрофизические характеристики метаматериалов

4.2 Дифракция электромагнитной волны на сфере из DNGM.

Линейная поляризация падающего поля

4.3 Круговая поляризация падающего поля

4.4 Рассеяние поля малыми частицами

4.5 Металлическая сфера с обкладкой из DNGM

4.6 Выводы

Глава 5 Дифракция на проводящих сферах с магнитодиэлектрическим укрытием

5.1 Использование укрытий. Материалы

5.2 Формальное решение задачи дифракции

5.3 Характеристики металлических сфер с диэлектрическим укрытием

5.4 Зависимость характеристик от частоты

5.5 Выводы *

Глава 6 Рассеяние и поглощение электромагнитных волн сотовых диапазонов моделью головы человека

6.1 Мотивы исследования

6.2 Постановка и решение задачи дифракции

6.3 Дифракционные характеристики модели

6.4 Численные результаты

6.5 Антенные характеристики сотовых телефонов вблизи модели

6.6 Выводы 118 Заключение 120 Список работ, опубликованных по теме диссертации 122 Список литературы 125 Приложение А 131 Приложение Б

Актуальность темы. Электромагнитная теория является одной из основ электроники, радиолокации и связи. В связи с тенденциями перехода в область терагерцового и оптического диапазонов волн, электродинамические методы расчета устройств в области электроники, радиолокации и связи приобретают дополнительное применение.

Рациональные методы решения электродинамических задач, дополнительные возможности вычислительной техники, появление новых высокотехнологичных материалов расширило область их применения и стимулировало к новому решению ряда классических задач электромагнитной дифракции и возбуждения. К таким задачам относится классическая задача дифракции электромагнитных волн на сферических телах. Дополнительно к имеющимся исследованиям и публикациям [1]-[3], получены новые результаты, которые, во-первых, потребовались для практических применений, во-вторых, расширили перечень данных, полученных ранее.

Некоторые актуальные направления задач дифракции на сферических телах, разработанные в диссертационной работе:

1 Результаты по дифракции электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах. Учитываются омические потери в металлических и диэлектрических элементах структур, устанавливается распределение токов на поверхности проводящих сфер, более тщательно исследованы фазовые характеристики полей, получены дополнительные результаты по рассеянию электромагнитных волн круговой поляризации падающего поля для гладких и многослойных сферических структур.

2 Исследуются полевые и мощностные характеристики рассеяния и поглощения тел с однослойным и многослойным укрытием, ставятся цели снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР), использования сферических тел для калибровки и определения характеристик рассеяния реальных целей.

3 Рассматриваются новые материалы, как традиционные диэлектрики с экстремально низкими и экстремально высокими коэффициентами поглощения, так и принципиально новые материалы - метаматериалы.

4 В связи с широким распространением персональных средств связи, исследуется актуальная задача рассеяния и поглощения электромагнитных волн моделью частей тела, в частности, моделью головы человека - пользователя мобильным средством связи.

Цель диссертации - на базе использования тензорных функций Грина построить универсальный аппарат решения векторных задач электромагнитного возбуждения и дифракции для неоднородных сферических тел.

Расширить возможности расчета электромагнитных полей для любых подобластей сферических структур с учетом омических потерь.

Использование современных материалов, включая метаматериалы для решения актуальных задач СВЧ техники.

Исследование механизма и получение численных результатов, характеризующих взаимное влияние антенны мобильного средства связи и модели головы пользователя.

Объект исследования. Объектами исследования являются: металлические и диэлектрические сферы с учетом проводимости, омических потерь в материалах; металлические тела с защитными покрытиями; структуры, содержащие метаматериалы; модель, имитирующая голову человека - пользователя мобильным средством связи.

Методы исследования. Строгое электродинамическое решение задач дифракции, получение численных результатов с использованием разработанных подпрограмм расчета последовательности сферических функций Бесселя от комплексного аргумента.

Научная новизна.

1 Построен универсальный аппарат решения векторных задач электромагнитной дифракции на неоднородных сферических телах.

2 Использование ориентированных токов, напряжений, импедансов и адмитансов создало возможность универсальной и компактной записи решения в виде цепных дробей.

3 Предложенная запись тензоров Грина в замкнутой форме позволяет анализировать поля в любом слое структуры и за ее пределами.

4 Использование новых защитных материалов и метаматериалов позволило определить дополнительные возможности рассеяния и поглощения электромагнитных волн.

5 Построена и исследована электрофизическая модель головы человека -пользователя мобильным средством связи при дифракции электромагнитных волн сотовых диапазонов связи (для выделенных диапазонов частот).

6 Решена электродинамическая задача возбуждения модели головы пользователя антенной мобильного средства связи.

7 Проведен расчет искажений антенных характеристик аппарата связи в выделенных диапазонах частот в присутствии модели.

8 Проведен расчет параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи в модели. В том числе коэффициента поглощения всей моделью.

9 Разработан эффективный алгоритм расчета последовательности функций Бесселя, Неймана и Ганкеля полуцелого порядка от комплексных амплитуд в широких пределах изменений индексов функций и значений аргумента.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается строгой постановкой решения электродинамической задачи дифракции. Для проверки правильности аналитического и численного решения используется частичная проверка результатов.

Практическая значимость диссертационной работы.

Рассеяние на сферических телах одна из немногих трехмерных задач, которая допускает строгое решение и в этом плане сфера может быть использована для калибровки эффективной площади рассеяния сложных объектов.

Для теоретических и модельных задач дифракции получены обширные численные результаты, которые позволяют, в частности, выявить дополнительные возможности по снижению или увеличению эффективной площади рассеяния в интересах решения задач радиопротиводействия и радиомаскировки.

По результатам исследования дифракции на модели головы человека сделаны выводы о влиянии положения антенны и рабочей частоты на эффект поглощения и изменения характеристик антенны.

Реализация и внедрение результатов. Материалы диссертационной работы используются в ряде профильных организаций Уральского региона. В частности результаты используются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах отдела Открытого акционерного общества «Опытного конструкторского бюро «Новатор».

Полученные результаты используются при чтении курса «Направляющие системы электросвязи» на кафедре «Многоканальная электрическая связь»; «Безопасность жизнедеятельности», «Электромагнитные поля и волны» на кафедре «Общепрофессиональные дисциплины технических специальностей» УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»; «Структура и организация линий связи» на кафедре «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения», результаты исследований переданы на кафедру «Безопасность жизнедеятельности» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Материалы диссертационной работы вошли в монографии: «Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах» - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. - 88 с; «Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами»: Монография. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. - 117 с.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Десятой Всероссийской студенческой научно-технической Интернет-конференции «Информационные технологии и электроника» и Девятой отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» (г. Екатеринбург, 2005 г.); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» (г. Екатеринбург, 2006 г.);

Международной конференции The First European Conference on Antennas and Propagation (г. Ницца, Франция, 2006 г.); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЫТРОМЭКСПО 2007» (г. Екатеринбург, 2007 г.); Второй Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2007» (г. Каменск-Уральский, 2007 г.); Международной конференции The Second European Conference on Antennas and Propagation (г. Эдинбург, Великобритания, 2007 г.); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2008» в рамках 5-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2008» (г. Екатеринбург, 2008 г.); Международной конференции Metamaterials (г. Памплона, Испания, 2008 г.).

По результатам диссертационной работы имеются 16 публикаций, в том числе: 2 статьи в научно-технических журналах, включенные в список ВАК РФ, две монографии.

Положения, выносимые на защиту:

1 Универсальный метод решения векторных волновых уравнений в виде тензорных функций Грина для многослойных сферических областей при использовании ориентированных токов, напряжений, импедансов и адмитансов для сокращения записи формального решения задачи со многими подобластями и последующей алгоритмизацией численных процедур.

2 Новые результаты характеристик рассеяния и поглощения для проводящих и диэлектрических сфер.

3 Рекомендации по снижению или увеличению эффективной площади рассеяния тел с многослойными укрытиями. Численный синтез характеристик укрытий по заданным критериям рассеяния.

4 Выявлены дополнительные возможности рассеяния электромагнитных волн на телах из метаматериалов.

5 Электрофизическая модель головы человека (для выделенных диапазонов частот).

6 Численные результаты, выводы по рассеянию и характеристикам поглощения электромагнитных волн моделью головы человека.

7 Решение электродинамической задачи возбуждения модели головы человека антенной мобильного средства связи. Результаты расчета искажений антенных характеристик аппарата связи в присутствия модели.

8 Численные результаты расчета параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи в модели.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка работ, опубликованных по теме диссертации, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 124 страницы основного текста, содержит 152 рисунка, 7 таблиц, 6 страниц списка литературы (69 наименований), 8 страниц приложений.

6.6 Выводы

В данной главе рассмотрены вопросы, связанные с рассеянием и поглощением электромагнитных волн сотовых диапазонов моделью головы человека, в частности:

В качестве модели головы человека, выбрана шестислойная сферическая структура. Модель построена на основе анатомических данных и результатов экспериментальных измерений характеристик живых тканей. Приведены характеристики слоев модели для трех распространенных стандартов сотовой связи: ИМТ-450, 08М-900, 08М-1800.

Приведены диаграммы рассеяния в главных плоскостях (ср = 0, л/2) для трех обозначенных стандартов сотовой связи. Форма диаграмм близка к осесимметричной. Главный лепесток сужается с ростом электрического радиуса модели (к0а). На высоких частотах (СЭМ-1800) уровень и число боковых лепестков увеличивается. На частоте 900 МГц Е0-составляющая имеет повышенный уровень боковых лепестков, что определяет самый большой (из трех диапазонов) коэффициент рассеяния арж =2.254. Характер диаграмм рассеяния сохраняется для оп и кп в диагональной плоскости.

Отмеченный выше рост боковых лепестков диаграммы в стандарте ОБМ-900 привел к значительному увеличению потерь на образование кп в секторе углов 70° <0<11О°.

Для стандартов С8М-900, С8М-1800 существует несколько направлений, где уровень поля кп выше уровня поля оп. Для попутного направления (в = л) на любой частоте Е0„ = Екп, что является следствием уникальной симметрии сферического тела. Этот факт, наблюдается также при дифракции на проводящих сферах.

Модель на частоте 900 МГц имеет наибольший коэффициент рассеяния и экстинкции. Это, по-видимому, связано с тем, что на этих частотах модель имеет максимальное приближение к резонансу (2а «0.54/^).

Анализ результатов показывает, что модель головы оказывает существенное рассеивающее действие. Приближенные оценки показывают, что до 40% излученной антенной мощности перехватывается моделью головы. Модель головы пользователя оказывает влияние не только на диаграмму направленности, но и на сопротивление излучения антенны — Rj-, которое определяет излученную мощность.

Шестислойная модель существенно изменяет сопротивление излучения антенны по сравнению с сопротивлением излучения антенны в свободном пространстве. Значение сопротивления излучения антенны в присутствии шестислойной модели достигает значения сопротивления излучения вибратора в свободном пространстве при расстоянии между антенной и моделью 20 см и более.

Методика расчета позволяет определить параметры, характеризующие поглощение мощности, излучаемой вибратором, в отдельных слоях модели (удельный коэффициент поглощения SAR - specific absorption ratio).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 При решении задачи дифракции используется универсальная запись тензоров Грина для многослойных сферических областей. Представление компонентов тензоров в виде цепных дробей способствуют алгоритмизации вычислительных процедур при расчетах.

2 Получены результаты о дифракционных характеристиках металлических и диэлектрических сфер. В частности, получены данные о дифракции на сферах с конечной проводимостью, определена мутация фазового центра при рассеянии.

3 Исследованы дифракционные свойства объектов, выполненных из мета-материалов. Выявлены аномальные явления рассеяния.

4 Исследовано влияние защитных материалов на эффективную площадь рассеяния сферических объектов. Выявлено влияние поверхностных волн в структурах на снижение эффективной площади рассеяния.

5 Исследовано рассеяние и поглощение электромагнитных волн принятой моделью - пользователя персональным средством связи. В качестве модели головы человека, выбрана шестислойная сферическая структура. Модель построена на основе анатомических данных и результатов экспериментальных измерений характеристик живых тканей. Основной электрофизической характеристикой является комплексная относительная диэлектрическая проницаемость слоев.

6 Для выделенных стандартов сотовой связи получены данные о диаграммах рассеяния, коэффициентах рассеяния и поглощения.

7 Поставлена и решена электродинамическая задача возбуждения модели головы человека антенной мобильного средства связи. Проведен расчет антенных характеристик электрического вибратора. Присутствие модели головы человека вблизи антенны существенно изменяет сопротивление излучения антенны по сравнению с сопротивлением излучения данной антенны в свободном пространстве. Кривая зависимости значения сопротивления излучения антенны от расстояния до центра модели имеет колебательный характер. С увеличением расстояния между вибратором и центром сферы, значение сопротивления излучения антенны асимптотически стремится к значению сопротивления излучения антенны в свободном пространстве. Влияние сферы становится пренебрежимо малым.

Присутствие модели вблизи антенны сотового телефона приводит к искажениям диаграммы направленности антенны аппарата связи. С учетом много-слойности структуры и высоких значений комплексной диэлектрической проницаемости отдельных слоев, модель обладает высокими экранирующими свойствами.

Основным фактором, способствующим уменьшению искажений антенных характеристик аппарата связи, является расстояние от антенны аппарата связи до модели.

8 Методика расчета позволяет определить зависимости значения напряженности электрического поля антенны от координат в слоях модели, поглощение электромагнитной мощности, излученной вибратором в слоях образования, то есть, определить параметры, характеризующие поглощение мощности, излучаемой вибратором, в отдельных слоях модели (удельный коэффициент поглощения SAR - specific absorption ratio).

9 Разработаны, опробованы и систематически применялись собственные подпрограммы расчета последовательности функций Бесселя полуцелого порядка от комплексного аргумента. При расчетах гарантировалась заданная точность вычислений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Панченко Б., Глотов Е., Козлов С., Гизатуллин М. Электромагнитное рассеяние сферических тел, выполненных из материалов с мнимым и отрицательным коэффициентом преломления // Вестник УГТУ-УПИ. Информационные системы и технологии в радиотехнике, связи, автоматике и управлении: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, №17 (69). - 323 с.

2 Панченко Б.А., Козлов С.А., Глотов Е.Н, Гизатуллин М.Г. Коэффициент рассеяния сферического тела из композиционного материала с отрицательным коэффициентом преломления // Вестник УГТУ-УПИ. Теория и практика радиолокации земной поверхности: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, №19 (71).

3 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Рассеяние электромагнитных волн круговой поляризации на сферических телах // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических трудов. Выпуск 4 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2005. - 252 с.

4 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Поляризационные потери при дифракции электромагнитных волн на сфере // Теория, техника и экономика сетей связи: сборник научно-технических трудов. Выпуск 4 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2005. - 252 с.

5 Panchenko В., Glotov Е., Gizatullin М. Scattering and absorption of electromagnetic waves in inhomogeneous bodies // EuCAP, Nice, France, 2006, vol. 1, p. 218.

6 Панченко Б.А., Бачурин B.C., Гизатуллин М.Г., Глотов Е.Н. Современные аспекты задач электромагнитной дифракции на сферических телах // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗБ-ПРОМ 2006». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2006. - 500 с.

7 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция на диэлектрических сферах. Внутренняя задача // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 5 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2006. - 296 с.

8 Панченко Б.А., Гизатуллин M.Г., Игитханян Г.В. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн на неоднородных телах // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 5 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «Сиб-ГУТИ», 2006. - 296 с.

9 Panchenko В., Gizatullin M. Synthesis of plane and curved multilayer electromagnetic absorbers // EuCAP, Edinburgh, UK, 2007, p. 518.

10 Панченко Б.A., Гизатуллин М.Г. Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. - 88 с.

11 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Синтез покрытий с минимальным рассеиванием электромагнитных волн // 2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиовысотометрия-2007», Каменск-Уральский, ОАО «УПКБ «Деталь», 2007.

12 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция электромагнитной волны круговой поляризации на слоистой структуре // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 6 / Под редакцией Е.А. Субботина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. - 292 с.

13 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г., Глотов Е.Н. Дифракция плоской электромагнитной волны на проводящей сфере с поглощающим слоем // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2007». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2007. - 464 с.

14 Panchenko Boris, Gizatullin Marat, Knyazev Sergey, Shabunin Sergey. Metamaterials using for radiation enhancing of coaxial transmission // Metamaterials, Pamplona, Spain, 2008.

15 Панченко Б.A., Гизатуллин М.Г. Воздействие электромагнитного облучения сотовых диапазонов связи на модель головы пользователя // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ

2008» в рамках 5-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2008». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2008.

16 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами: Монография. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. - 117 с.

1. Хёнл X., Мауэ А., Вестпфаль К. Теория дифракции. М.: Мир, 1964.

2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973.

3. Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. М.: Радио и связь, 1983.

4. Rayleigh W., Mag. Phil, 1881, (4), 12.

5. Фок В.А. //Journ. of Phys. (СССР), 1946, 10.

6. Vladimir I. Okhmatovski, Andreas C. Cangellaris. Efficient calculation of the electromagnetic dyadic Green's function in spherical layered media // IEEE Transactions on antennas and propagation, 2003, vol. 51, № 12, pp. 3209-3220.

7. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями виц// Успехи физических наук, 1967, Том 92, Вып. №3.-517 с.

8. Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., and Stewart W.J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1999, vol. 47, № 11, pp. 2075-2081.

9. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., and Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett., 2000, vol. 84, pp. 4184-4187.

10. Eleftheriades G.V., Iyer A.K., Kremer H.C. // IEEE Trans. MTT, 2002, vol. 50, №20, pp. 2702-2712.

11. Ziolkowski R.W. // IEEE Trans., AP, 2003, vol. 51, № 7, pp. 1516-1529.

12. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Советское радио, 1975.

13. Cui S., Weile D.S., Volakis J.L. Novel planar electromagnetic absorber designs using genetic algorithms // IEEE Transactions on antennas and propagation, 2006, vol. 54, № 6, pp.1811-1817.

14. Коффи Питер. К дискуссии о безопасности радиоизлучения присоединяется IEEE //PC Week, 2003, № 41.

15. Курушин А., Титов А. Расчет мощности излучения сотового телефона, поглощаемой в голове пользователя // Chip news, 2002, № 10 (63).

16. Fujimoto К., James J.R. Mobile Antenna Systems Handbook // 2-ed, 2001, p.710.

17. Mimaki H., Nakano H. Double patch helical Antenna // Samlung of papers IEEE, 1998.

18. Trueman C.W., Kubina S.J., Slater M. Modeling Helix Antenna with NEC4 //Montreal, IEEE, 1997.

19. Haapala Paivi, Vainikainen Pertti. Helical Antennas for multi-mode mobile phones // 26th EuMC, 1996.

20. Taki Masao, Wake Kanako. Exposure assessment for epidemiological study on possible risk of head diseases due to mobile phone use // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

21. Hansson Mild Kjell, Wilen Jonna. On the need for a better exposure assessment in mobile phone human volunteer studies // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

22. Lagroye I., Poulletier de Gannas F. Effect of GSM 900 radiofrequency on apoptosis of immune and nervous cells // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

23. Li Xu, Tandradinata Henri, Hagness Susan C. Anatomically realistic FDTD modeling of microwave interactions with human breast // Proceedings of the

24. XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

25. Miyakoshi Junji, Nakahara Takehisa. Cellular and molecular effects of ELF electromagnetic fields // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

26. Ikehata Masateru, Takashima Yoshio. Effects of electric and magnetic fields on mutation and gene expression // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

27. Leszczynski Dariusz. Effect of GSM mobile phone radiation on blood-brain barrier // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

28. Hata K., Yamaguchi H. Short-Term Effects of High Frequency Electromagnetic Fields on Melatonin Synthesis in Rats // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

29. Anderson Larry. Investigations of various cancer models in experimental animals exposed to EMF // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

30. Bendjebara Naila. Statistical analysis and characterization of spatial distribution of absorbed power of GSM mobile phones // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

31. Nagawa Hirokazu. Recent advantages in study on mobile phone exposure to the rain of the rat // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

32. Barnes F. S. and Na Hasun. A review of some RF epidemiological studies // Proceedings of the XXVIIth General Assembly of the International Union of Radio Science, Netherlands, 2002.

33. Нарбут В.П., Хмель В.Ф. Поляризация излучения зеркальных антенн. -Киев: Высшая школа, 1978. — 279 с.

34. Панченко Б.А., Князев С.Т. и др. Электродинамический расчет полоско-вых антенн. М.: Радио и связь, 2002.

35. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: ИЛ, 1961.

36. Mie G., Physik Ann. d., 1908, 25, 377.

37. Debye P., Physik Ann. d., 1909, 30, 57.

38. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. — М.: Мир, 1960.

39. Бриллюэн JI., Пароди М. Распространение волн в периодических структурах. М.: ИЛ, 1959. - 457 с.

40. Shelby A., Smith D.R., and Schultz S. Experimental verification of a negative index of refraction // Science, 2001, vol. 292, pp. 77-79.

41. Lagarkov V.N., Kissel V.N. // Pros, of the Symp. F. IS VAT 2003. World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 2003, pp. 157-160.

42. Панченко Б.А., Нефедов Е.И. Микрополосковые антенны. М.: Радио и связь, 1986.- 144 с.

43. Strifors Н.С., Gaunaurd G.C. Scattering of electromagnetic pulses by simple-shaped targets with radar cross section modified by a dielectric coating // IEEE Transactions on antennas and propagation, 1998, vol. 46, № 9, pp. 1252-1262.

44. Li L.W., Leong M.S., Kooi P.S. et al. // J. of electromagnetic Waves and Appl, 2000, vol. 14, p. 987.

45. Panchenko В., Kozlov S., Knyazev S. // International Symposium on Antennas. Nice, 2002, vol. 1, p. 215.48Панченко Б.А. // РЭ, 2004, Т. 49. № 11.- 1350 c.

46. Панченко Б.А. //РЭ. 2007. Т. 52. № 11. 1366 с.I

47. Фелсен Л., Маркувиц Н. Излучение и рассеяние волн. М.: Мир, 1978.

48. Иванов Е.А. Дифракция электромагнитных волн на двух телах. -Минск: Наука и техника, 1968. 584 с.

49. Панченко Б.А., Нечаев Ю.Б. Характеристики полосковых антенн на подложках ограниченных размеров. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1992. - 91с.

50. Марков Г.Т. Возбуждение шара // ЖТФ, 1953, 23, 838.

51. Бреховских JI.M. Волны в слоистых средах. М.: издательство Академии наук СССР, 1957.

52. Engheta N. An idea for thin sub wavelength cavity resonators using metamaterials with negative permittivity and permeability // IEEE Antennas Wireless Propag Lett., 2002, vol. 1, № 1, pp. 10-13.

53. Engheta N., Ziolkowski R.W. A positive future for double-negative metamaterials // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2005, vol. 53, № 4, pp. 1535-1537.

54. Council Recommendation // EC of 12 July 1999 on the limitation of exposure of the general public to electromagnetic fields (0 Hz to 300 GHz), 1999, p. 519.

55. Радиационная медицина, Т. 4. Гигиенические проблемы неионизирую-щих излучений. Авторский коллектив под ред. Григорьева Ю.Г. и Степанова B.C. М.: Изд. AT, 1999. - 304 с.

56. Григорьев Ю.Г. Сотовая связь: радиобиологические проблемы и оценка опасности // Радиационная биология. Радиоэкология, 2001, Т. 41, № 5, сс. 500513.

57. Гаврилов А.А., Нестеров Е.К., Оленьев В.В., Сомов А.Ю. Добровольный и вынужденный экологический риск при воздействии электромагнитного излучения, создаваемого системами сотовой связи // Известия Академии промышленной экологии, 2002, № 2, сс. 43-46.

58. Григорьев Ю.Г., Степанов B.C., Григорьев О.А., Меркулов А.В. Электромагнитная безопасность человека. -М.: 1999. 145 с.

59. Гигиенические требования к размещению и эксплуатации средств сухопутной подвижной радиосвязи // Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.1.8/2.2.4.1190-03.

60. Hata М. Empirical formula for Propagation Loss in Land Mobile Radio Services // IEEE Trans, on Vehicular Technology, 1980, vol. 29, pp. 317-325.

61. Григорьев О.А., Меркулов A.B., Темников А.Г. Оценка электромагнитной обстановки в районах размещения базовых станций системы сотовой связи // Материалы 2-й международной конференции «Электромагнитные поля издоровье человека». M., 1999, сс. 114-115.

62. Трешневиков А.Н., Маликов А.Н., Кравченко А.А., Нестеров Е.Н., Пет-рученко Н.М., Родвикова И.В., Сомов А.Ю. Экологический налог за воздействие электромагнитного излучения: региональный аспект проблемы // Проблемы региональной экологии, 2001, № 6.

63. Бабина Ю.В. Электромагнитные излучения: будем ли мы платить за их вредные воздействия? // Экос-информ, 1999, № 12, сс.26-35.

64. Colburn Joseph S., Rahmat-Samii Yahya. Human proximity effects on circular polarized antennas in personal satellite communications // IEEE Transactions on antenns and propagation, 1998, vol. 46, № 6.

65. Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies // http://www.fcc.gov/cgi-bin/dielec.sh.