автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Исследование и оптимизация антенных систем с учетом влияния окружения

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

' г; . ол ■ •

На правах рукописи

САНДЛЕР Майя Борисовна "^ЦОЗ1

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ АНТЕННЫХ СИСТЕМ С УЧЁТОМ ВЛИЯНИЯ ОКРУЖЕНИЯ

Специальность 05.12.01 — Теоретические основы радиотехники

А втор е ф е р а т диссертации на соискание учёной степени кандид ата технических наук

Нижний Новгород 1997

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете.

Научный руководитель— доктор технических наук, профессор,

В.В. КРЫЛОВ

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

А.И. ГРЕЧИХИН Официальные оппоненты: Радионов Александр' Алексеевич

д.т.н., г. Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет Скулкин Сергей Павлович к.т.н., г. Нижний Новгород, АО "Гипрогазцентр" РАО "Газпром" Ведущее предприятие — Нижегородский научно — исследовательский приборостроительный институт

Защита состоится 29 мая 1997 г. в 15.00 час. на заседании специализированного Совета Д 063.85.03 по теоретическим основам радиотехники при Нижегородском государственном техническом университете (603600, г. Нижний Новгород, ГСП—41, ул. Минина, 24, ауд. 1258)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан 28 апреля 1997 г. -

Учёный секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

А.Н. Салоз

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Антенны являются важной и необходимой частью радиооборудования, подвергающейся влиянию окружающей среды. Об-акты, окружающие антенну, оказывают воздействие на её характеристики. В связи с этим очевиден тот факт, что чем полнее учитывается влияние на антенну окружения при её анализе и синтезе, тем больше полученные при этом характеристики будут соответствовать действительности.

Особое значение такой подход принимает при проектировании и анализе антенных систем для мобильной радиосвязи, так как в этом случае постоянно присутствует окружение, такое, например, как кузов автомобиля, на котором установлена антенна, или тело человека, работающего с портативным трансивером. К тому же мобильная связь чаще всего производится в КВ, УКВ и ДМВ диапазонах частот, где физические размеры объектов, близлежайщих к антенне, соизмеримы с длиной волны, в силу чего эти объекты оказывают влияние на характеристики антенной систе — мы.

Существуют разные подходы к решению задач подобного вида. Аналитический расчёт размеров антенн, ещё применяемый в настоящее время, с последующей коррекцией после экспериментальных исследований в реальных условиях является весьма дорогостоящей • технологией проектирования, поэтому актуален поиск методов введения в расчёт на наиболее раннем этапе характеристик окружения.

Наиболее эффективным подходом при этом является применение компьютерных моделей антенн, в; которых можно учесть наличие окружения, и прямое моделирование технических характеристик антенн на компьютере. Однако и методы компьютерного моделирования существуют разные.

Очень часто с помощью компьютера подобные задачи решаются аналитическими методами, в основе которых лежит метод частичных областей. Эти методы позволяют решать, задачу взаимодействия антенной системы и оё окружения для объектов специальной формы, такой как цилиндрическая, сферическая, сфероидальная и др. Решение, полученное таким методом, пригодно только для заданного взаимоположения антенны

и окружения. При изменении его задачу приходится решать заново как научную. Подобный подход ссуживает спектр решаемых задач и делает их прераготивой ограниченного круга людей.

Существуют и численные методы решения таких задач. Известные зарубежные компьютерные модели излучающих систем дают достаточно высокую точность моделирования, в основном за счёт тчательного описания геометрии объектов и их дискретизации большим числом элементов, однако весьма ограничены в возможности учёта характеристик окружения особенно при наличии, потерь. -

Также существуют гибридные методы, сочетающие в себе соедине — нне обоих подходов. Это более гибкие методы, но они пока сложны для инженерных рассчётов.

В то же время в большом числе практически важных задач можно ограничится простыми тонкопроволочными моделями антенн (КВ, УКВ, ДМВ диапазона), которые позволяют достаточно эффективно вводить параметры окружения и получать весьма точные характеристики излучаю — щей системы в целом. Разработка математических и компьютерных моделей излучающих систем, включающих в себя антенны и их окружение произвольной конфигурации, ориентации и степени проводимости, и ре — шение с их помощью целого ряда практически актуальных задач проекта — росания антенн позволяет расширить диапазон излучающих систем, поддающихся проектированию на компьютере, и представляет теоретический к практический интерес.

Целью рпбптм является разработка математических и компьютерных моделей излучающих систем, позволяющих адекватно учитывать влияние окружения, исследование и оптимизация конкретных антенных систем с учётом влияния на них металлических конструкций и тела человека.

Задпчи р-пГютм Для достижения поставленной цели необходимо ре — шить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель неидеально проводящего тонкого провода.

2. Разработать компьютерную программу для моделирования излучающих систем.

3. Разработать компьютерные модели кузов.ч автомобиля и тела человека д\я нескольких диапазонов частот.

4. Исследовать влияние металлических конструкций и тела человека на антенную систему.

5. Оптимизировать антенную систему с учётом влияния металлических конструкций.« тела человека.

6. Представить рекомендации для разработчиков и потребителей ан — тенных систем мобильных трансиверов.

7. Разработать математическую модель тонкого неидеального проводника, покрытого тонким слоем другого материала.

Диапазоны частот, на которых проводятся исследование и оптимизация: 26-30 МГц, 40-45 МГц, 80-90 МГц, 160- 177 МГц, 300-350 МГц, 800-900 МГц.

Направление оптимизации зависит от диапазона частот и потреб — ностей на этом диапазоне. Например, в диапазоне 26 — 30 МГц основной • характеристикой, требующей оптимизации, является, как правило, эф — фективность антенной системы, а в диапазоне 800 — 900 МГц — широко — полосность.

Мртодь? игглсдоп,-)»»» в диссертации используются аппарат высшей математики, уравнения электродинамической теории и их программная реализация, метод численного программирования. Проверка основных результатов производилась с помощью натурных экспериментов. Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель излучающей системы из тонкопроволочных структур, включающих неидеально проводящие провода.

2. Математическая модель излучающей системы из тонкопроволочных структур, включающих нендеальные проводники, покрытые тонким слоем другого материала.

3. Алгоритм компьютерной программы для моделирования излучающих систем. -

4. Компьютерные модели кузова автомобиля и тела человека для нес — кольких диапазонов частот и принципы их разработки.

5. Результаты исследования влияния металлических конструкций и тела человека на антенную систему.

6. Результаты оптимизации антенных систем с учётом влияния металлических конструкций и тела человека.

7. Рекомендации для разработчиков и потребителей антенных'систем

мобильных трансиверов.

Научная нопична. В диссертации разработаны модели тонкого неидеально проводящего провода и тонкого неидеально проводящего провода, покрытого тонким слоем другого материала, а также получена система уравнений, пригодная для численного решения, описывающая излучение совокупности таких проводов.

Обоснованность и достоперность полученных результатов подтверждается:

— адекватностью разработанных математических моделей изучаемым физическим процессам;

— соответствием компьютерных результатов результатам натурных экспериментов;

— соответствием полученных результатов с их аналогами, найдеными другими авторами;

— переходом асимптотик новых решений в ранее известные решения. Практическая ценность работы заключается:

— в разработке методов учёта неидеально проводящих и неоднородных объектов, включая и саму антенную систему, при разработке излучающих систем;

— в получении более полного понимания процессов, происходящих при работе антенной системы в окружении влияющих на неё объектов, что дает возможность создавать новые антенные системы с лучшими характеристиками; • •

— в разработке новых антенных систем;

— в разработке компьютерной программы с большими возможностями для моделирования излучающих систем;

— в разработке компьютерных моделей кузова легковых атомобилей и тела человека для разных диапазонов частот;

— в разработке рекомендаций для разработчиков и потребителей антенных систем мобильных средств связи.

рпб<УШ Мдториалт-т диссертации докладывались на Всероссийской научно—технической конференции "Радиоприем и обработка сигналов" (Н.Новгород, 1993); XXVII Международной научно—технической конференции "Теория и техника антенн", (Москва, 1994); Международной научно — технической конференции "Информатика и проблемы телеком —

муникаций", посвященной 100—летию Радио и 50,—летаю НТОРЭС имени А.С.Попова, (Новосибирск, 1995); Международной конференции "100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сооб — щений и зарождения радиотехники", объединенной с 50—й научной сессией, посвященной Дню радио, (Москва, 1995); научно — технической конференции НГТУ, посвященной 100—летию изобретения Радио A.C. Поповым (Н.Новгород, 1995); Всероссийской научно—методической конференции "Новые информационные технологии в системе многоуровневого обучения" (Н.Новгород, 1996); первой нижегородской сессии молодых учёных (Н.Новгород, 1996); научно — технической конференции факультета радиоэлектроники и технической кибернетики, посвященной 60—летию факультета (Н.Новгород, 1996); на научно — технических семинарах кафедры "Теория цепей и телекоммуникаций" Нижегородского государственного технического университета. Часть диссертации вошла в НИР "Разработка антенно — фидерных устройств для системы подвижной радиосвязи "Алтай" (Н.Новгород, 1995).

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 14 работах, из них 5 статей и 8 опубликованных тезисов докладов на научно-технических и научно-методических конференциях и 1 научно-исследовательская работа.

Структура и объРм диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, содержит 255 страниц основного текста, включая библиографию из 78 наименований, 68 рисунков, 32 таблицы, 1 приложение, содержащее 4 страницы и 3 акта внедрения результатов диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ппедонин обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы её цел;, и задачи, определена новизна полученных результатов и их практическая значимость, обоснована их достоверность, сформулированпи основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание диссертации.

В_п е Р1Шй_гд а б ü "Излучающая система и её описание" приведён обзор литературы по исследованиям и результатам оптимизации влияния

тела человека и корпуса автомобиля на антенные системы мобильных средств связи, даны формальные постановка и решение задачи разработки излучающей системы. Приведены примеры излучающих систем. В частности, проведено исследование зависимости расстояния, на котором рас — сеиватель практически не влияет на характеристики полуЕолнового диполя, от конфигурации, размеров, характеристик материала и ориентации рассеивателя относительно диполя.

В общей постановке задачу разработки антенн с учётом влияния их окружения можно сформулировать как задачу дифракции и возбуждения. Основной проблемой при разработке антенн с уютом влияния на них ок — ругке-ния является определение объектов, образующих излучающую систему, и нахождение математических моделей окружения, отражающих их физическую сущность.

Разработка любой излучающей системы на современной стадии распития антенной техники и инструментов ее создания сводится к анализу выбранного вида излучающей системы с оптимизацией по определённым параметрам.

Задача анализа решается в два этапа.

1. Нахождение распределения тока в излучающей системе при заданных точках подключения источников 'питания.

2. Нахождение вторьчнмх характеристик получающей системы по из' есстно»--/ распределению тока.

Под вторичными характеристиками подразуммм'отся: диаграмма направленности, входное сопротивление, коэффициент направленного действия, коэффициент усиления, коэффициент полезного действия, действующая высота и ряд друг их.

В работе рассматривается распространение' электромагнитных монохроматических полей, создаваемых сторонними источниками в изотропных линейных однородных средах, что достаточно для решения задач, поставленных автором. Для этих условий электромагнитная волна, пере — излучённая от структуры есть хорошо извести 'е интегральное решение в виде потенциалов

е = I"1 (У) =

(1)

г-'Л

АСг) = яШЛ?)*, ,- м ; ' (2)

6 = —еИ\0', (А)

где а(т) — векторный потенциал; /}(?) — скалярный потенциал;

? — радиус — вектор точки истока, т.е. откуда происходит излучение;

т — радиус — вектор точки наблюдения; V — объём, заполненный токами. • Чтобы найти вектор напряжённости падающего электрического поля е' (поля волны от внешних источников), необходимо учесть граничные условия для касательной компоненты вектора напряженности падающего электрического поля на поверхности объектов, входящих в излучающую си стеку.

= ' (Л)

где Я' — касательная компонента вектора напряженности падающего электрического поля; Ё' - касательная компонента вектора напряженности отраженного

электрического поля; Е? — касательная компонента вектора напряженности прошедшего электрического поля. Отражённое Поле £'' находится по формуле (1), а прошедшее Е3 — с учётом геометрии объекта и свойств его материала. Если объект абсолютно проводящий, то 2?7=0 и вектора напряжённости электрического поля на его поверхности ориентнрованьицо нормали.

Задача нахождения распределения тока в излучающей системе сво -дится к представлению уравнения (5) системой алгебраических уравнений, где неизвестным каждого уравнения является ток в определенной области излучения системы, которую можно решить доступными математическими методами с использованием вычислительной техники.

В работе получены количественные показатели влияния конфигура — дни, ориентации и материала объектов окружения на характеристики антенной системы и сделаны выводы, что:

— расстояние, при котором металлические конструкции, окружающие антенну; не оказывают влияние на её характеристики, увеличивается с ростом их размеров до достижения ими максимального размера величины х/2 ; '

— чем больше угол наклона между осью вибратора и наибольшим размером металлического объекта, тем на меньшем расстоянии может находиться объект, чтобы не оказывать влияние на вибратор;

— при перпендикулярном расположении провода относительно ан — тены он не оказывает на неё влияние даже при самом близком расстоянии;

— материал, из которого состоят объекты, окружающие антенну, оказывает влияние на характеристики излучающея системы. Стержень из плохо проводящего материала влияет слабее, чем из хорошо проводящего.

Как показал обзор литературы, в настоящее время наиболее актуальным, является исследование влияния окружения на антенные системы д\г. мобильных средств связи КВ, УКВ и ДМВ диапазона. Возможно получение новых данных в этой области при исследовании и оптимизации . влияния кузова автомобиля на характеристики вибраторных антенн раз — ных конфигураций при их разном расположения относительно него, исследовании возможности упрощения компьютерной модели автомобиля на разных частотах и при разном расположении антенны, исследовании и оптимизации влияния тела человека на характеристики антенной системы в виде полуволнового вибратора и электрически малых антенн портатив — ного трансивера, а также разработка моделей тела человека. Также на ос — нове обзора методов анализа подобных излучающих систем сделан вывод, что необходимо разработать метод компьютерного моделирования излучающих систем, включающих в себя неидеалыю-прозодящие проводники.

Во второй гл.:;г.о "Разработка математик:;.ой модели излучающей

системы, пригодной для реализации численными методами" рассмотрены современные методы моделирования излучающих систем, включающих как идеально проводящие, так и неидеально проводящие конструкции. Сделан выбор метода их моделирования. Разработан метод моделирования излучающих систем, включающих неидеально проводящие конструкции. Разработан метод моделирования излучающих систем, включающих тон — кие неидеально проводящие проводники, покрытые другим материалом. Приведён метод моделирования излучающих систем, включающих чело — века.

В п. 2.1 делается выбор области проведения анализа (временная или частотная), уравнения и метода его решения. Было решено использовать двухпотенциальное уравнение вида (1), решение которого производилось методом моментов. Этот метод применим при любой конфигурации излучающей системы. В качестве базисных и весовых функций были выбраны прямоугольные и функции Дирака соответственно, как наиболее простые и, следовательно, позволяющие исследовать широкий спектр излучающих систем.

В п. 2.2 получена формула для расчёта элементов матрицы взаимного импеданса неидеально проводящих излучающих систем, отличающаяся от подобной формулы для идеально проводящих систем определённой до — бавкой к диагональным элементам матрицы импеданса.

Неидеально проводящий материал тела, находящегося в электромаг — нитном поле, обуславливает протекание по нему объёмного тока, в то время как по идеально проводящему телу протекает только поверхностный ток. Поэтому для описания взаимодействия неидеально проводящих тел объёмная плотность тока, протекающего в теле, выражается через ненз — вестный полный ток, а затем объёмные интегралы в уравнениях (1) — (4) сводятся к поверхностным или линейным. Для этого объёмная плотность выражается через полный ток, что предполагает нахождение напряжён — ностей электрического и магнитного полей внутри проводника. Для на -хождения электромапштннтного поля внутри проводника решаются векторные уравнения Гельмгольца, получаемые из первых двух уравнений Максвелла относительно напряжеиностен электрического и магнитного поля. ■

И

У2Я + ш2Ес1Ц,Я = О

.У2£+ш2Ёс1Ц,Ё = О

(6) (7)

(8)

— удельная электрическая проводимость материала проводника; Si — абсолютная диэлектрическая проницаемость материала проводника; ес1 — комплексная диэлектрическая проницаемость материала проводника. 4 Для тонких проводников (г0<< X и г0« I, га - радиус проводника, I — длина проводника) (рис.1) уравнения (6) и (7) могут быть упрощены в силу зависимости Е и Н не от всех координат. В математической форме это выглядит следующим образом:

8е де

Ег = 0, Eq = 0, Е:/по^ = const, ¿g1 = 0, -gj = 0 , (9)

. ЭЯ9 . ЭЯ0

Нг - о, Н: = о, яе/й0., = С0„5/, — = о, -gj = О . (10)

ei 9 > Hi iro J е , а , \х

в .ММ .-- ....... ^

1

Рис. 1. Внешний вид тонкого сегмента

С использованием условия (9) — (10), уравнения (6) — (7) преобразуются к виду:

5Ч \дЕ1 2

+ ~ = Д , (11)

дг1 гдг 2

сГЯв ,ЭЯ9

9 19 ( 2 1Л

дТ + -Г—<Р+-2 К' " ^

2 л

Р = = С0Д1 - ИЗС)) ; (13)

где г — расстояние от оси проводника по радиусу.

Решения уравнений (11) и (12) записываются в виде:

Е=а10(рг), (14)

Нв = Ы,(рг), (15)

где 1о(рг) — модифицированная бесселева функция первого рода нулевого порядка от комплексного аргумента; Ь(РГ) ~ модифицированная бесселева функция первого рода первого порядка от комплексного аргумента. Она равна первой про — изводной функции 1о(рг) по всему аргументу рп 1!(р1)~Г0(рт); а и ъ — постоянные интегрирования; Выражения для напряженностей электрического и магнитного поля в ци — линдрическом проводнике выглядят следующим образом:

_ ;юй|Я0(рг) . Е2 ~ г*г&1х{рга) - ' (16)

_ я, (рг)

Я0 ~ 2*1^7, (рг0) ' {17)

Тогда, учитывая выражения (13) и (16), распределение плотности тока происходит согласно соотношению:

1рГ0(рг)

Ток течет только в направлении оси провода.

Для нахождения распределения тока по излучающей системе ис — пользуется двухпотенциальное уравнение (1) с уравнениями (2) — (4), граничное условие на поверхности проводника (5) и алгоритм нахождения элементов матрицы импедансов, приведённый у Харрингтона.

В цилиндрической системе координат при наличии только осевой составляющей напряжённости электрического поля, что соответствует ус — ловиям тонкопроволочного приближения, уравнения (1) — (5) записываются следующим образом:

Э

е' = -№г-§1 * > • <19)

-)кИ

V

1 е~М

♦г - тяг* . Ст

V

,д 7

• <22>

• Ег'+£/=Я// нг. Б , (23)

где — осевая компонента напряженности электрического поля падаю — щей волны, В/м;

е/ — осевая компонента напряженности электрического поля отраженной волны (рассеянное поле) В/м; Е/ — осевая компонента напряженности электрического поля про —

шедшей волны или поля внутри проводника (16); В/м; 5 — поверхность проводника;

Я — расстояние от источника излучения до наблюдателя, м;

— осевая компонента объемной плотности тока, А/м2 ; 5 — объёмная плотность заряда, Кл/м3 . Применяя эти уравнения для тонкого проводника произвольной кокфигу —

рации, разбитого на N малых отрезков, длина каждого из которых много меньше длины волны, и решая их методом моментов с прямоугольными базовыми и весовыми дельта — функциями Дирака, получаем матричное уравнение относительно распределения тока по проводнику. Схема взаи -модействия двух сегментов показана на рис. 2. На ней (в том числе с индекса! ;и) соответствует Л в формулах. ,

I ш

п.

Рис. 2. Схема взаимодействия сегментов •

С учётом всего выше сказанного и применяя выражение для плотности тока (18) найдем напряжённость электрического поля, падающего на сегмент т по формуле (19). Векторный потенциал находится по формуле

А2(т) = и2/.(и)Д/Лч»(1в,и) , (24)

п

где 1(п) — искомые коэффициенты разложения функции распределения тока; . •

-ДД

Ч»0М) - дГ1 • Р5)

После аппроксимации производной скалярного потенциала, используемого в формуле (19), конечной разностью получаем:

д М"0 М"» + ) ~К(т _ )

-5- --дТГ-' " (2б)

т

где • _

ФДЛ» + ) = /Г: + + +. _ )Ь

уп

и

и Д/ш —длина сегмента ш. Найдем напряженность электрического поля падающей волны на сегменте т из уравнения (19) и (16) при подстановке в них рассчитанных потенциалов и с учетом граничного условия

£*'=£/+£/ /приг = г0. (23)

Е,\т) =j^й^^ 2У(") (т, п) + /шЕд/ £/(П)[ЧУ(;Л + + л гп п

■ (29)

ую^о СРго>

^ ,и _ )-ч/(т _ ,в + _)+ч>(и __,« _ ) ] + ^^ ^'(и) ■

Таким образом, последнее слагаемое, т.е. , добавляется к £/ только при т = л . Взаимное сопротивление элементов т и л при воздействии поля, создаваемого током в элементе п на элемент т находится как:

2тп = Е!{т)-Ыт/1{п) , (30)

что означает

7'юц1Д/>п/0(рг0)

-4/{т_,п + ,+^(м_>я_)]+—хб(и-и), (31) где 8(п—т) — символ Кранекера. .

Формула (31) без последнего слагаемого тождественна формуле для

идеально проводящих проводников, приведённой в алгоритме Харринггона [6]. Правильность формулы (31) была проверена с помощью предельного перехода.

Проволочный объект полностью характеризуется своей матрицей импеданса, подчиненной, разумеется, введенным приближениям. Объект определяется точками на оси провода и его радиусом. Ток в N точках на рассеивателе определяется тогда матрицей проводимостей, полученной путём обращения матрица импедансов:

[I] = тт. где [У] - ¡2Г'.

(32)

Излучающую систему мы получим, возбуждая её в одной или нес — кольких точках источником напряжения. Следовательно, при возбуждении антенны в п—м интервале матрица приложенного напряжения имеет вид

[У] =

(33)

Чп

'2 п

(34)

т.е. все её элементы равны 1гулю, кроме л —го, который равен напряжению источника. Распределение тока по системе получаем по формуле (32), которая для матрицы [V], определяемой по (33), примет вид (34). Следовательно, п — й столбец матрицы полной проводимости есть распределение тока при единичном источнике напряжения, приложенном к л-му интервалу. Обращение матрицы импеданса, таким сбразом, даёт одновременно распределение тока при возбуждении излучающей системы в любом произвольно выбранном месте. Диагональные элементы У:т матрицы полной проводимости системы, питаемой в л —м интервале, а Утл — это полные проводиомсти передачи между входом в т — м интервале и входом в л —м интервале.

Как только распределение тока будет известно, интересующие нас параметры, как, например, диаграммы поля, входные импедансы, сечения

рассеяния и т.п., можно будет рассчитать численно по соответствующим формулам.

Следовательно, при анализе излучающей системы, имеющей неиде — ально проводящие проводники, её матрица импедансов отличается от матрицы импедансов идеально проводящей излучающей системы тем, что к её собственным элементам, номера которых соответствуют сегментам, из которых составленны неидеально проводящие проводники, прибавляется дополнительный импеданс. В излучающей системе могут присутствовать проводники из разных материалов, при этом к собственным элементам матрицы импедансов будут прибавлятся рг--;ные по величине дополни — тельные импедансы. Разумеется, выражение (31) полностью пригодно и для хорошо (почти идеально) проводящих проводников, так как является более общим, чем известное.

Можно использовать предлагаемый метод и при любых других ве — совых функциях, но тогда выше описанные уравнения будут иметь другой вид.

Данный алгоритм нахождения взаимного импеданса двух неидеально проводящих тонких элементов, из которых строится модель излучающей системы, является тем новым, что получено авторрм данной диссертации; и отличается от аналогичных алгоритмов и формул.

При разработке антенных систем часто возникает необходимость использовать сосредоточенные нагрузки для согласования антеннной сис — темы с фидером или для придания ей определённых свойств.•

Влияние сосредоточенной нагрузки можно учесть, добавив сопро — тивление нагрузки 2т к соответствующим диагональным элементам матрицы импедансов.

Следовательно, при тех базовых и весовых функциях, которые были использованы в работе, для тонкопроволочных структур способы учёта распределённой и сосредоточенной*агрузок, нарушающих идеальность проводимости данных структур, одинаковы.

В п. 2.3 получена формула для расчёта элементов матрицы взаимного импеданса излучающих систем, имеющих тонкие неидеально проводящие проводники, покрытые торким слоем другого материала, отличающаяся от подобной формулы для идеально проводящих систем, во —первых, коэффициентами, на которые умножаются соответственно оба слагаемых

формулы для идеально проводящих проводников, во-вторых, определённой добавкой к диагональным элементам матрицы импеданса.

В основном антенны покрываются различными изолирующими материалами, воздействие которых на характеристики антенн мало изучено. Известно также, что покрытие антенны диэлектриком уменьшает электрическую мину антенны грубо в квадратный корень из ^ раз. Этот закон можно использовать для создания электрически малых антенн с более высоким КПД по сравнению с имеющимися при условии покрытия их диэлектриком с достаточно большой б и малым тангенсом угла потерь. Ещё одно применение антенн такого вида просматривается в виде так назы — ваемой адаптивной антенны, т.е. созданию такой антенны, которая бы самосогласовывалась с выходным каскадом устройства при изменении окружения антенны.

Рис. 3. Вид тонкого сегмента, покрытого тонким слоем другого материала

Построение математической модели тонкого проводника, покрытого тонким слоем другого материала (рис. 3) делается на основе метода, изло — женного в п. 2.2, только с некоторыми отличиями, связанными с различием в задачах. При разработке математической модели используем те же векторные уравнения Гельмгольца дуя напряженностей электромагнитного поля (0) и (7) и граничные условия (9) и (10). В конечном счёте получаем уравнения (11) и (12) 2) несколько ином виде

Хдк: г

ТТ + ~г~д7 +Рк Е: = <35>

Э2ЯЙ , дНа .

■■¡рГ + Ьг+АЯв-^в- (36)

рк2 = со2ес*Ц* = а>ц4(а>бА-уст4)". (37)

где .к — индекс, определяемый областью рассмотрения.

Далее требуется найти решения в двух областях: I) в области 0 < г < г!,

2) в области Г; < г < г2

1) Решения в области 0 <г<:г1

Д\я напряжённостей полей они записываются следующим образом

Ег=а0^(р,г), (38)

Нв = Ь0^(Р1г),. (39)

где ^о(Рг) ~ функция Бесселя первого рода нулевого порядка от комплексного аргумента; . (Рг) ~ Функция Бесселя первого рода первого порядка от комплекс — . ного аргумента; ади Ь0 — постоянные интегрирования; Р/ — Рк в области 0 ^ г ^ Г;. Найдя постоянные интегрирования и подставляя их в выражения (37) и (38), получаем

;шц,у0 (р,г) " 2*Г)Ру1х (р,г,) ' . ' ^

_ . Л-ЛОу) Я61 _ гяг^О»,;-,) ' (41)

где — величина тока в области 0 г Г/.

Плотность тока находится по аналогии с п. 2.2

•*г\ ~ гяг^О», г,)

(42)

Следующим шагом находится плотность тока в области г1 ¿г

2) Решения в области г, < г < г2 .

Для напряжённостей полей они записываются следующим образом ' Е2~а + Ъ Ы0(Р2г), (43)

Hв = cJ](p2г) + dN1(p2г), (44)

где Ы0(р2г) — функция Бесселя второго рода нулевого порядка или функ — ция Неймана нулевого порядка от комплексного аргумента;

М,(Р2Г) ~ функция Бесселя второго рода первого порядка или функция

Неймана первого порядка от комплексного аргумента; а, Ь, с, <1 — постоянные интегрирования;

Р2 ~ Ркв области г^г^. г2 .

Так как для нахождения плотности тока достаточно знать напряжённость электрического поля, то найдём только постоянные а и Ь. Для нахождения постоянных интегрирования используем те же уравнения, что и ранее при ;=г)и/ = гг, а на границе проводника и слоя покрытия при г = Г1 справедливы равенства

Оо^РгП) ^ а^о(Р2г1) + ь Щр?,), (45)

ЪoJl(p¡rt)*^^cJ1^p?t) + dNi(p?f), (40).

которые вытекают из условия равенства касательных составляющих нап — ряжённостей электромагнитного поля на границе раздела двух сред при отсутствии свободных зарядов.

Для нахождения напряжённости электрического поля требуется следующая система уравнений

а^1(Р2г1) + ь ^¡(р?,) » -]<о\1211 / 2пР2г,

а З^р^ + Ь ^¡(р?2) - - Ушй2 Ь / 2~Р2Г2 а0^о(Р1т1) "= а Щр?!) + Ъ ^0(р2т1),

во " ~ 2*/-,^,./, (р,г,)

где 12 — величина тока в области Г] < г < т2 . При решении данной системы уравнений, находятся коэффициенты а и Ь, которые выражаются через общий ток I. При подстановке их в выраже — ние (43) находится напряжённость электрического поля, а затем плотности тока в обоих областях.

Для нахождения распределения тока по излучающей системе, включающей тонкие пеидеально проводящие проводники, покрытые тонким слоем другого материала, используем те же уравнения, что и в п. 2.2. При нахождении запаздывающих потенциалов в данном случае весь объём сегмента разбивается на два объёма: объём области 0 < г <Г] и объём области Г; < г < г2 , а следовательно на два интеграла, под каждым из которых ставится соответствующая функция плотности тока. При этом расстояние Лш„ от сегмента до сегмента берётся в обоих интегралах одинаковым как расстояние от центра одного сегмента до центра другого. Это возможно в силу условия тонкости проводника.

-ДЛ -ДЛ

= И Л, I I ^ГШГ^а =

Ч,о Чг,

2яц 1 л/.

/у п/г4

-]кН ,

я

(43)

После подстановки в выражение (48) формул для плотностей тока в обоих областях и преобразований получаем

Az(m) = iLXjri(n)AIny(m,n)r. (49)

п

С

Значение X определяется в диссертации.

Выражение для градиента скалярного потенциала, аппроксимируемое конечной разностью, имеет вид

3 фг(от) Ф_(™ + ) _ )

J « п

50)

31------ -д/

m J nt n

a [y (m + ,n. + ) -ч/(т + _ ) — ц/ (ffi _ , я + ) + V ("* _ , и _ _ ) ]

Была найдена формула для напряжённости электрического поля па — дающей волны на сегмент m по аналогий с п. 2.2 и используя граничное условие Е^+Е^—Е// при г = где Е/ — напряжённость электрического

поля, рассчитанная в области г1 <т < г2. ■

Е,' (m) = j<»\iX (и) Д/лч/ (т, п) + меА/ 1Д") * n J m it

х [ц/(/п + ,п + ) -v(m + ,п _ ) -у(лт _ ,л + ) + _,«_)]-

;<о/(тп) 2кТ

(p2r2)

_r2 [ц,Р2*У0 0>I',) + (p,r,)] P2r2 I "о +

+ N0(pzr2)

'MoCfVl) (5J)

Значения М, К, Т определяются в диссертации.

После-представления уравнения (51) в матричном виде как в п. 2.2, нетрудно заметить, что добавочные слагаемые в нём по сравнению с урав -нением для идеально проводящих проводников присутствуют только в ди -

атональных элементах матрицы импедансов, т.е. при Л = т , а коэффициент X присутствует всегда. Таким образом, взаимное сопротивление элементов т и л при воздействии поля, создаваемого током в элементе л, на элемент и находится:

Таким образом, формула взаимного импеданса между сегментами, являющегося элементом матрицы импедансов, имеет следующий вид

X

2тп = (>",») +— х + + )-

J'^rn

+■ _ ) -v(« _ + ) + Ч»(я» _ ,n _ ) ] + 2яГ x

^М^рОуМ ОУ2) jhNa(Pir\)

r2lPlP2KJo(Piri>+l12PiTJl<P\r0] ~ p2r2

(p2r2) +W0(p2r2) X

'•VoOVl) tljU^J ip,^)^ (p2r2)

11 x6(n-m), (53)

^2Г2 , гг [ц1р2/У00'1г1) + Ц^Г./, (^Г,) ] где о(п—т) — символ Кранекера.

Правильность формулы (53) была проверена с помощью предельного перехода. ■ '

Следовательно, при анализе излучающей системы, имеющей неиде — ально проводящие проводники, покрытые слоем другого материала, её матрица импедансов отличается от матрицы импедансов идеально прово — дящсн излучающей системы тем, что к её собственным элементам, номера которых соответствуют сегментам, из которых составлении данные проводники. прибавляется дополнительный импеданс, а оба слагаемых формулы д\я идеально проводящих проводников умножаются на соответствующие коэффициенты. В излучающей системе могут присутствовать

X

разные по свойствам проводники с разным покрытием, при этом изменятся будет только параметр р.

Можно использовать предлагаемый метод и при любых других весо — вых функциях, но тогда выше описанные уравнения будут иметь другой вид.

Данный алгоритм нахождения взаимного импеданса двух неидеально проводящих тонких элементов, покрытых тонким слоем другого материала, из которых строится модель излучающей системы, является тем новым, что получено автором данной диссертации, и отличается от методики и ре — зультата, изложенных в известных статьях для решения подобной задачи.

Данный алгоритм можно модифицировать под любое число покрытий из разных материалов, лишь бы проводник при этом оставался тонким.

Использование данного алгоритма позволит не только более точно предсказывать как будет функционировать антенна, покрытая изолирую — щим материалом, но и изобрести новые виды антенн, такие как электрически и магнитно малые антенны с высоким КПД и адаптивные антенны. Высокий КПД у электрически и магнитно малых антенн получится за счёт покрытия хорошо проводящей антенны, имеющей размер много меньше длины волны, или диэлектриком или магнитоэлектриком соответственно с большими относительными проницаемостями и малыми потерями. Адап — тивные антенны представляют собой антенны, у которых характеристики остаются постоянно оптимальными при изменении окружающих условий в определённых пределах. Они могут выполнятся из проводника, покрытого или сегнетоэлектриком или ферромагнетиком, относительные проницае — мссти которых меняясь при изменении напряжённостей полей (которые в свою очередь изменяются при изменении условий окружения) будут из — менять характеристики антенны, и, если подобрать правильно покрытие, то можно добитыя того, что изменение напряжённ остей полей в опреде — лённых пределах будет возвращать антенне её оптимальные характеристики. • .

В п. 2.4 разработаны математические модели тела человека для ис — следований, проводимых в работе, и представлена методика подсчёта средних относительной диэлектрической проницаемости, удельной про водимости и глубины проникновения электромагнитной волны в тело че — ловека, основанная на представлении модели человека в виде слоёв раз — личных биологических тканей.

Целью данной работы, в частности, была разработка упрощенных

моделей тела человека, применимых как с простыми, так и сложными конфигурациями антенных систем, но с определёнными ограничениями применимости по частоте и расстоянию между моделью тела человека и антенной системой, поэтому моделирование тела человека производилось либо вытянутым сфероидом, образованным сеткой из неидеально прово — дящих тонких проводов, в которых учитывались параметры тела человека, либо тонким проводником также с учётом этих параметров.

Для учёта электрических параметров тела человека в его модели бы — ли рассчитаны усреднённые величины удельной проводимости о и отно — сительной диэлектрической проницаемости ег, которые рассчитывались по известным а и ег двенадцати наиболее крупных тканей тела человека. Такой подход отличается от применяемых в предыдущих работах, где модели человека или имели несколько слоёв, каждый из которых описывал опре — делённую биологическую ткань тела, или брались параметры однослойной модели по неизвестному признаку.

После введения некоторых предположений, расчет усредненных ■ значений относительной диэлектрической проницаемости г? и удельной проводимости а тела человека осуществляется следующим образом:

Еп т1 " о.т

■«г.- I ^г . <*>

» = 1 г

>1 "Г ; •

где п — количество используемых биологических тканей,

- е^, ст( , т( — относительная диэлектрическая проницаемость, удельная проводимость и масса «—той ткани соответственно, ту — масса тела.

В число используемых нами биологических тканей входили : голов — ной мозг, мышечная ткань, жировая ткань, сердце, кровь, лимфа, печень, почки, легкие, селезенка, костная ткань, кожа.

Была также рассчитана глубина проникновения с? и эффективный радиус тела человека. ' ■

d = 1/a

(56)

где С, = агс1д(от/<в£оЕт) — угол потерь; а — коэффициент затухания; к0 — постоянная распространения Выражение для эффективного радиуса имеет вид

= V5 = * •('"Л" =*■(«'■ (2г/1-'/)) • <57>

где ге/ — эффективный радиус; .

гл — усреднённый радиус тела человека; d — глубина проникновения ЭМИ в тело человека;

> Sh — усреднённая площадь поперечного сечения тела человека; sef — эффективная площадь поперечного сечения; S — площадь поперечного сечения радиусом (г^—d). П третьей глппе приводится алгоритм пакета компьютерных программ MAS (MODELING OF ANTENNA SYSTEMS) для анализа излучающих сис- . тем, который разработан при участии автора диссертации. Описан порядок работы при решении поставленной задачи. MAS — это программный пакет, позволяющий создать анализируемую излучающую систему на дисплее путем задания координат отрезков, из которых она состоит. В качестве входных данных задаются также частота сигнала, радиус проводников, из которых состоит излучающая система, импедансы различных сосредо — точенных элементов и места их вставки, импедансы неидеально проводя — щих проводов. После нахождения, в процессе работы программы, распре — деления электрического тока по излучающей системе, задается точка подключения генератора и делается выбор продолжения анализа с учетом земли или без её учёта. Земля может представляться абсолютно проводящей или непроводящей. - ,

Результатами моделирования являются нахождение распределения тока, любых антенных характеристик и дальнего поля излучающей системы

27

во всех плоскостях. Диаграммы направленности и распределения тока можно вывести в виде графиков, а другие характеристики в символьном виде на дисплей. Всё данные можно вывести на принтер.

Особенностью программы является то, что она может анализировать излучающие системы, включающие в себя неидеально проводящие объекты. Эта программа разработана на кафедре "Теория цепей и телекоммуникаций" доцентом к.т.н. Гречихиным А.И. и автором данной диссертации. Программа написана на языке TURBO BASIC. Сегодня в мире существует как минимум десяток компьютерных программ для анализа излучающих систем. Программа MAS не уступает по качеству известным программам такого типа, в то же время для её нормальной работы достаточен компью — тер IBM PC с процессором 286.

Сущность моделирования заключается в том, что реальный объект сложной формы замещается системой соответственно размещенных в пространстве тонких проводов, которые можно представить отрезками проводов круглого сечения длиной I и радиусом а, причем а « I и а « X; где X — длина волны в свободном пространстве.

В программе MAS используется интегральное уравнение для двух по — тенцналов, и решается оно методом моментов (см. п. 2.2, 2.3). После приведения интегрального уравнения к матричному виду этим методом и обращения матрицы импедансов, получаем матрицу проводимостей, столбцы которой являются распределениями токов по излучающей системе при воздействии на её входе единичного напряжения. Номер столбца соответ — ствует номеру сегмента, в который включено единичное напряжение.

Этот алгоритм применим к любым излучающим системам и не зави — сит от структуры материала проводников и окружающего их пространства, хотя данная программа выполнена для свободного пространства, окружа ющего проводники. Для другой среды достаточно подставить вместо абсо — лютной диэлектрической проницаемости в формуле для расчёта взаимных импедансов комплексную диэлектрическую проницаемость. Все изменения, появляющиеся в следствие анализа различных по структуре материала излучающих систем, приводят к изменениям только матрицы импедансов.

В данном пакете есть возможность анализа излучающих систем, имеющих симметрию относительно оси Z , используя сегменты только для образующих подобных объектов, тем самым позволяя экономить время

вычислений или анализировать обладающие таким свойством объекты, на модели которых при обычном моделировании требуется больше сегментов, чем 90.

Рассчитываются такие вторичные характеристики как диаграмма

направленности, КПД, КНД, усиление, мощности излучения и потерь, КСВ.

с

Программа прошла предварительную апробацию на тестовых задачах типа нахождение характеристик полуволнового вибратора и четвертьволнового вибратора над проводящей поверхностью, или сравнение входного импеданса симметричного вибратора, найденного с помощью описанной программы н методом эквивалентных схем при разных отношениях длины плеча вибратора к его радиусу и к длине волны, обнаружив хорошее сов — падение результатов. Также результаты анализа многих задач, не описанных в литературе, прошли экспериментальную проверку в реальных уело — виях, при этом было получено хорошее совпадение рузультатов компью — терного моделирования и эксперимента. Относительная погрешность вы — числений по сравнению с экспериментом составляет не более 10 % . Таким образом, точность расчётов вполне приемлема.

В четвёртой главе описаны исследования, проведённые автором, по влиянию кузова легковых автомобилей нескольких марок на характерце — тики антенн, расположенных на них, при разных типах вибраторов и раз — ном их расположении относительно кузова в нескольких диапазонах час — тот. Проведено исследование возможности упрощения компьютерной мо — дели автомобиля на разных частотах и при разном расположении антенны. Рассчитано несколько антенн. Проведено исследование двухчастотной двухвибраторной антенны в зависимости от разноса частот, как пример намеренного использования окружение вибратора для придания ему до — полнительных свойств.

В п. 4.1 проведено исследование влияния кузова легковых автомобилей восьми марок на характеристики антенн при разном расположении последних относительно кузова на частотах 27 МГц и 45 МГц, а так же выполнена оптимизация четвертьволнового вибратора, расположенного яа крыше "ВАЗ — 2108". В процессе исследований было показано, что:

1.1. Геометрически полная модель излучающей системы, включающей в себя антенну и кузов автомобиля, может быть упрощена.

1.2. Степень упрощения модели автомобиля зависит от конфигурации

его кузова, от частоты, от места расположения антенны, от её кок — фигурации и размеров. Лучше всего упрощению поддаются модели автомобилей с расположением антенны в середине крыши кузова.

1.3. Лучше всего упрощаются модели на частоте 45 МГц. Это больше относится к наиболее габаритным моделям (ГАЗ, АЗЛК, УАЗ). При самой малогабаритной модели "ВАЗ — 2106" упрощений больше на • частоте 27 МГц. Остальные марки ВАЗ при одних положениях уп — рощаются больше на 27 МГц, при других — одинаково как на 27 так и на 45 МГц.

1.4. При расположении антенны сзади модель чаще всего не упрощается и имеет наихудшие характеристики.

1.5. При размещении антенны в середине крыши диаграммы направленности излучающей системы близки к оптимальным.

1.6. Из результатов на частоте 45 МГц видно, что при любом расположении длина штыря должна быть меньше Л/4 для получения опта — мального входного сопротивления, а из результатов на частоте 27 МГц видно, что она должна быть примерно /У6, однако здесь ещё нужно учитывать расположение антенны.

1.7. При уменьшении размеров антенны модель автомобиля поддаётся меньшим упрощениям на обеих частотах при любых расположениях антенны.

1 .Б. Отражение в модели максимального числа токов приближает модель к реальной.

1.9. Если есть возможность посмотреть распределение тока по модели, то чем меньше его амплитуда на той или иной части модели, тем она менее значима при моделировании.

В п. 4.2 проведено исследование влияния кузова автомобилей "УАЗ — .1151" »"ГАЗ —3102" на характеристики полуволнового диполя на частоте ,139 МГц при разных расположениях диполя относительно кузова по мес -тоположению и высоте. Пример проектирования автомобильной антенны д\я радиотелефона системы "Алтай".

2.1. При хорошем согласовании антенны с кабелем основную часть потерь составляют потери в тракте передачи или приёма. Суммарные потери перекрываются усилением за счёт рефлекторного эффекта только в случае расположения антенны на автомобиле "ГАЗ - 3102"

на переднем краю крыши'при высоте подъёма антенны 50 или 100 мм над поверхностью кузова или 50 мм — на крыле вблизи радиатора.

2.2. Характеристики излучающей системы при расположении антенны на крыше или на крыле вбизи радиатора являются почти одинако — выми и наиболее близкими к характеристикам оптимальной радио — сзязи, особенно это заметно у "УАЗ —3151". У автомобиля "ГАЗ — 3102" расположение антенны на крыле вблизи радиатора яйляется более предпочтительным. Наилучшая высота поднятия антенны при этих расположениях — 100—150 мм. Поэтому, если невозможно расположить антенну на крыше автомобиля, как на автомобиле "УАЗ — 3151" с брезентовым верхом, например, то её лучше ставить на крыле вблизи радиатора.

2.3. Самое плохое расположение антенны — на крыле вблизи лобового стекла, так как при этом увеличивается КСВН антенны и имееется наибольшая неравномерность диаграммы направленности в гори — зонтальной плоскости.

В п. 4.3 проведено исследование возможности применения Б—антенны ка автомобилях: "УАЗ-3151", "УАЗ-3741" и "ВАЗ-2106" на частоте 27 МГц и на "УАЗ-3741" на частотах 45, 165 и 300 МГц.

3.1. Применение И—антенны на кузове автомобиля возможно в КВ диапазоне и низкочастотной части УКВ диапазона.

3.2. Общим отличием диаграммы направленности Р—антенны от соот — ветстзующих четверть — волновых штырей является возможность приёма горизонтальной составляющей поля.

3.3. Наилучшее согласование без дополнительных согласующих элементов было достигнуто на частоте 45 МГц.

В п. 4.4 проведено исследование возможности применения двух— частотной двухвибраторной антенны в зависимости от разноса частот. Сделан расчёт двухчастотной артантенны и двух широкополосных антенн для сотовой радиосвязи.

4.1. Использование двухвибраторной антенны в качестве двухчастотной возможно при разносе частот от 15% до 46% при расстоянии между вибраторами (3 = 40 мм. Если соотнести это расстояние с длинами волн обеих частот антенны, при разносе частот с наилучшими >;а —

рактеристиками (33%), то на средней частоте это отношение равно Хср/с1 = 38. Следовательно данные пределы разноса частот достижимы при расстоянии между вибраторами примерно в 38 раз меньшем средней длины волны, получающейся при самом благо — приятном, с точки зрения КСВ, разносе частот.

•4.2. Подбором величины с! можно смещать оптимальный разнос в сто — . рону уменьшения или увеличения. Уменьшение расстояния между вибраторами в 2 раза приводит к смещению наилучшего разноса ' частот на 5% в сторону увеличения, при этом отношение >-сР к <3 равно Хср=Хср/(3 = 74. Увеличение расстояния между вибраторами в 2 раза приводит к смещению наилучшего разноса частот на 3% в сто — рону уменьшения, при этом отношение Хср к с! равно ХСр=Я.СрЛЗ = 19.

4.3. Величина допустимого разноса зависит от диапазона частот.

4.4. Двухчастотная двухвибраторная антенна имеет горизонтальную составляющую электрического поля, что является её преимуществом перед вертикальным диполем при применении в мобильной связи. .

4.5. Двухчастотную антенну можно сделать в виде артантенны, т.е. фигурной антенны.

Опираясь на полученные результаты, были разработаны рекомендации д\я разработчиков, производителей и потребителей антенных систем, постоянным окружение которых является кузов автомобиля. Внедрение полученных результатов может дать значительный эффект, что подтверждается актами внедрения.

Все исследования, изложенные в данной главе, были сделаны на ос— -нове теории, описанной в п. 2.2 главы 2.

В пятой глппе проведены исследование и оптимизация влияния тела человека на характеристики антенной системы в виде полуволнового виб — ратора и электрически малых антенн портативного трансивера, а также разработка моделей тела человека в нескольких диапазонах частот.

В п. 5.1 доказано, что алгоритм компьютерной программы, позволя — Ю1ЦПЙ при моделировании излучающей системы учесть неидеально про — водящие проводники является корректным.

В п. 5.2 показано, что при учёте влияния тела человека на характеристики антенной системы на частотах, где размеры тела сравнимы с дунной волны и глубина проникновения электромагнитной волны в тело

меньше толщины тел? человека, при нахождении человека на близких расстояниях (меньше Х/16) от антенной системы дискретная модель тела человека должна наиболее точно отражать его конфигурацию и свойства, а на более дальних расстояниях (больше Х/16) от антенной системы наибольшую роль з проектировании модели его тела играет учёт глубины проникновения электромагнитной волны в тело человека, а конфигурация при удалении от антенны может быть всё более простой.

В случае, если имеется сложная антенная система, то для подобных расчетов на расстояниях больших 0,2 м можно использовать модель в виде тонкого проводника, в которой учитывается глубина проникновения.

В п 5.3 показано, что эффективность антенной системы портативного трансивера диапазона 27 МГц может быть значительно улучшена за счет правильного взаимодействия с телом человека — оператора и с дополнительными противовесами, йспользоваемыми оператором. Доказано также, что электрически малая рамка при правильном её взаимодействии с опе -ратором может иметь эффективность, сравнимую с эффективностью электрически малого вибратора.

В п. 5.4 показано, что при расчётах расстояния обнаружения результаты, полученные с моделью в виде тонкого проводника и сфероидальной моделью с учетом глубины проникновения, являются очень близкими, поэтому для данного вида расчетов годятся обе эти модели, но модель а виде тонкого проводника имеет преимущество, как более простая.

Обнаружение человека целесообразно проводить на частотах в ран -оне 83 МГц, где высота среднего человека соответствует длине полувол— нового диполя на этой частоте; так как в этом случае расстояние обнаружения максимально и равно 6 м. Длина диполя при этом должна быть X или, в крайнем случае, неменьше к/4, так как расстояния обнаружения при длинах диполя Х/2 и Х/4 равны и меньше на 1м, чем при длине диполя X.

Опираясь на полученные результаты, были разработаны рекоменда — ции для разработчиков, производителей и потребителей антенных систем, постоянным окружение которых является человек. Внедрение полученных результатов может дать значительный эффект, что подтверждается актами внедрения.

Все исследования, изложенные в данной главе, был;; сделаны на ос —

нове теории, описанной в п. 2.2 главы 2.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена проблеме исследования и опта — мизации антенных систем с учётом влияния окружения.

Эта проблема имеет два практически важных приложения. Одно из них связано с исследованиями антенных систем с учётом влияния окру—' жающих их объектов и оказывающих влияние на их характеристики.

Другое — это проектирование антенных систем с учётом влияния окружения. При этом возможна коррекция физических размеров антенной системы с целью получения её оптимальных электродинамических характеристик.

В работе разработаны математические модели элементов излучающих систем широкого спектра и сделан ещё один шаг к пониманию различия и схожести в моделировании излучающих систем с разными свойствами, представлена возможность рассчитывать излучающие системы, содержа — щие в себе элементы из разных материалов и обладающие разными свой — ствами. • " ' ■ •

Использование разработанных математических моделей даёт возможность моделировать на компьютере более широкий класс излучающих систем, что в свою очередь позволяет более экономичным способом проектировать антенные системы, в том числе с новыми свойствами, такие как .' электрически малые антенны с высоким КПД и адаптивные ("живые") антенны. '

Математические модели излучающей системы из тонкопроволочных структур, включающих неидеалыю проводящие провода и тонкие неиде — альные проводники, покрытые тонким слоем другого материала разработаны на осноне одной теории и одинаковыми методами. Это также является тем нопым, что получено автором данной диссертации.

Метод разработанный в данной работе, применяя который были получены математические модели элементов излучающих систем, может ■бить также применён для разработки элементов излучающих систем, описываемых другими базисными и весовыми функциями, а так же для элементов большей размерности. Главной его идеей является представ — 34

ление объёмной плотности тока, протекающего в неидеально проводящем элементе через неизвестный полный ток, что делается через нахождение напряжённости электрического поля в элементе, которая зависит от его свойств, а затем плотность тока подставляется в соответствующие урав — нения, описывающие излучающую систему.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Разработана математическая модель излучающей системы из тонко — проволочных структур, включающих неидеально проводящие провода.

2. Разработана математическая модель излучающей системы из тонкопро — волочных структур, включающих неидеальные тонкие проводники, покрытые тонким слоем другого материала.

3. Разработана и экспериментально проверена компьютерная программа для моделирования излучающих систем.

4. Получены количественные показатели влияния конфигурации, ориентации и материала объектов окружения на характеристики антенной системы.

5. Разработаны принципы моделирования и компьютерные модели кузова автомобиля и тела человека для нескольких диапазонов частот.

6. Получены результаты исследования влияния металлических конструкций и тела человека на антенную систему.

7. Проведена оптимизация антенных систем с учётом влияния металлических конструкций и тела человека.

8. Разработаны рекомендации для разработчиков и потребителей антенных систем мобильных трансиверов.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:

1. Гречихин А.И., Морозкин В.А., Сандлер М.Б. О влиянии тела человека — оператора на эффективность антенных систем портативных радиостанций диапазона 27 МГц. // "Радиоприём и обработка сигналов": Тез. докл. Всероссийской научно—технической конф. — Н. Новгород, 1993. -с. с. 79-80.

2. Гречихин А.И., Сандлер М.Б. Влияние тела человека—оператора на эффективность антенных систем портативных трансиверов диапазона

27 МГц. // "Теория и техника антенн": Тез. докл. XXVII Международной научно—технической конф. — Москва, 1994. — 435 с.

3. Гречихин А.И., Сандлер М.Б. Компьютерные модели тела человека для исследования антенных систем. // "Информатика и проблемы телекоммуникаций": Тезисы докладов Международной научно — технической конф., посвященной 100—летию Радио, т.1. — Новосибирск, 1995.—206 с.

4. Гречихин А.И., Сандлер М.Б. Компьютерное моделирование окружения вибраторных антенн. // "100—летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники": Тез. докл. Международной конф., объединенной с 50 —й Научной сессией, посвященной Дню радио, ч. 2. — Москва, 1995. — 328 с.

5. Гречихин А.И., Морозкин В.А., Сандлер М.Б. Рамочная антенна для портативной радиостанции диапазона 27 МГц. // Тез. докл. на научно -технической конференции факультета "Радиоэлектроники и техничес — кой кибернетики" Нижегородского государственного технического университета, посвященной 100—летию изобретения Радио A.C. Поповым и 50—летию победы в Великой Отечественной войне. — Н. Новгород 1995. — 46 с.

6. Гречихин А.И., Сандлер М.Б. Об эффективности антенных систем портативных радиостанций диапазона 27 МГц". // "Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства": Межвузовский сборник научных трудов Нижегородского государственного технического университета. — Н. Новгород, 1995. — с.с. 51 — 57.

7. Гречихин АИ., Сандлер М.Б., Морозкин В.А, Насибулин К.Н. Разработка антенно—фидерных устройств для системы подвижной радиосвязи "Алтай". — Н. Новгород, 1995. — 90 с.

8. Санд\ер М.Б. Моделирование и расчёт излучающих систем на ЭВМ. // "Новые информационные технологии в системе многоуровневого обучения": Тез. докл. Всеросийской научно — методической конференции. . - Н. Новгород 1996. - 198 с.

9. Сандлер МБ., Насибулин К.Н., Яшин С.Б. О проектировании вибраторных антенн мобильных радиосредств. // Вестник Верхне — Волжского отделения Академии технологических наук Российской Федерации, серия: "Высокие технологии в радиоэлектронике". — Н. Новгород 1996. - № 1(2)! —с.с. 82-86.

10. Сандлер М.Б. Применение И — антенны на легковых автомобилях для мобильной радиосвязи. // Тез. докл. научно — технической конференции факультета "Радиоэлектроники и технической кибернетики" Нижегородского государственного технического университета, посвященной 60— летаю факультета. — Н. Новгород, 1996. — 64 с.

11. Сандлер М.Б. Компьютерные модели тела человека при учёте его влияния нд антенную систему. // Тез. докл. научно — технической конференции факультета "Радиоэлектроники и технической кибернетики" Нижегородского государственного технического университета, посвя — щг.'ной 60—летию факультета. — Н. Новгород 1996. — 64 с.

12. Гречихин А.И., Сандлер М.Б. От чего зависит дальность радиосвязи на диапазоне 27 МГц. // Радио.- 1996.5.-е. с. 8-9.

13. Сандлер М.Б. Методика компьютерного анализа излучающих систем. /7 Межвузовский сборник научных трудов Нижегородского государственного технического университета. — Н. Новгород 1996 (в печати).

14. Сандлер М.Б. Компьютерное моделирование излучающих систем, включающих неидеально проводящие конструкции и тонкие проводники, покрытые другим материалом. // Вестник Верхне- Волжского отделения Академии технологических наук Российской Федерации, серия: "Высокие технологии в радиоэлектронике" — Н. Новгород, 1996 (в печати).