Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость исследования влияния дифракционных эффектов, вызываемых цилиндрическими объектами, на поле измерительных антенн возникает при проведении специальных высокоточных измерений в условиях так называемого малого измерительного полигона (МИП), представляющего собой безэховую камеру, тогда, когда не удается разместить исследуемый цилиндрический проводящий объект в дальней зоне коллиматора. В этом случае необходимо определить степень влияния исследуемого объекта (ИО) на структуру поля, излучаемого антенной.
Экспериментальное решение вопроса о влиянии ИО на структуру ближнего поля коллиматора затруднительно, следовательно требуется разработка достаточно адекватного, теоретического анализа рассматриваемой проблемы, который должен базироваться на решении соответствующей дифракционной задачи.
Существует также ряд практически важных случаев, когда источник электромагнитного поля располагается вблизи проводящих объектов, которые могут быть аппроксимированы цилиндрическими поверхностями различного профиля. Примером тому служат несущие опоры различной конфигурации, фюзеляж самолета, корпус корабля, крыша дома. Исследование влияния таких тел на характеристики излучения антенны является важной электродинамической задачей, которая не может быть решена на основе одних лишь экспериментальных исследований. В тех случаях, когда продольные размеры объекта достаточно велики, его можно представить в виде цилиндрической поверхности с бесконечными образующими, т.е. пренебречь дифракционными эффектами, обусловленными конечной протяженностью поверхности вдоль образующих. В этом случае исходная задача может быть сведена к квазитрехмерной задаче дифракции.
Существующие методы решения задач дифракции на бесконечно протяженных цилиндрических поверхностях можно разделить на методы, которые базируются на строгом подходе (в рамках рассматриваемой электродинамической модели), и на приближенные (асимптотические) методы, базирующиеся на эвристических предположениях.
К асимптотическим методам относятся физическая оптика, метод краевых волн, геометрическая оптика, метод теневых токов, геометрическая теория дифракции и ее различные модификации. Не вдаваясь в подробный анализ этих методов отметим только их общий недостаток. До сих пор не решен вопрос о точности асимптотического решения и границах его применимости. С особой остротой этот вопрос встает в резонансной области частот, когда характеристические размеры поверхности сравнимы с длиной возбуждаемой волны. К тому же измерения, проводимые в условиях МИП требуют расчет электромагнитного поля с высокой степенью точности.
Если не накладывать априори значительных ограничений на форму цилиндрической поверхности, то метод анализа задач дифракции, базирующийся на строгой постановке, может быть только численным, при этом универсальным математическим аппаратом являются интегральные (или интегродифференциальные) уравнения. Однако в настоящее время в достаточной степени развиты только методы решения двухмерных задач дифракции на цилиндрических объектах сложного профиля.
Из всего сказанного следует, что тема диссертационной работы является актуальной и практически значимой.
Целью настоящей работы является разработка универсального алгоритма численного анализа влияния проводящих цилиндрических объектов с бесконечными образующими, имеющих сложное по-
перечное сечение, на электромагнитное поле, создаваемое произвольным (трехмерным) источником, и его применение для исследования влияния цилиндрического объекта измерений на поле цилиндрического коллиматора, а также расчета параметров ряда излучающих систем, в частности, "элементарный излучатель - призма", "электрический вибратор - уголковая поверхность" и др.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать алгоритм численного решения интегродифферен-циального и интегрального уравнений, к которым может быть сведена задача дифракции произвольного электромагнитного поля на проводящих цилиндрических объектах с бесконечными образующими, имеющих сложный контур поперечного сечения и получить формулы для расчета составляющих векторов дифракционного поля в любой точке пространства.
-
Разработать подход, позволяющий в строгой постановке анализировать влияние проводящей цилиндрической поверхности с бесконечными образующими, имеющей сложный контур поперечного сечения на параметры излучения электрического вибратора.
-
Разработать комплекс эффективных быстродействующих программ численного решения рассматриваемых задач и провести анализ сходимости решения и устойчивости алгоритма на основе тех задач дифракции, решение которых известно в настоящее время.
-
В строгой постановке исследовать возбуждение уголковой поверхности и четырехгранной призмы полем элементарного излучателя, произвольно расположенного в пространстве.
-
В строгой постановке исследовать влияние уголковой поверхности на распределение тока симметричного электрического вибратора.
6. Исследовать влияния объекта измерений, аппроксимированного круговым цилиндром на поле цилиндрического параболического коллиматора и разработать рекомендации по проведению измерений в условиях малого измерительного полигона.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены следующие теоретические результаты:
Разработан алгоритм численного решения задач дифракции электромагнитного поля на идеально проводящих цилиндрических объектах с бесконечными образующими, который, в отличии от существующих в настоящее время методов, позволяет решать в строгой постановке задачи дифракции на цилиндрических объектах произвольного профиля.
На основе разработанного алгоритма проведено исследование влияния объекта измерений, аппроксимированным круговым цилиндром, на поле цилиндрического параболического коллиматора, а также решена задача о возбуждении уголковой поверхности и четырехгранной призмы полем элементарного излучателя, произвольно расположенного в пространстве.
Построен итерационный алгоритм, позволяющий в строгой постановке анализировать влияние проводящих цилиндрических объектов с бесконечными образующими, имеющих произвольное поперечное сечение на параметры излучения электрического вибратора.
На основе разработанного итерационного алгоритма исследовано влияние уголковой поверхности на распределение тока СЭВ, расположенного в плоскости биссектрисы двухгранного угла параллельно его ребру, в зависимости от угла раскрыва уголковой поверхности, ширины полос и расстояния вибратора до ребра.
Достоверность полученных результатов гарантируется тем, что:
полученные выражения для электромагнитного поля выведены непосредственно из уравнений Максвелла и удовлетворяют условию на бесконечности;
в процессе численного решения рассматриваемых в работе задач контролируется выполнение граничных условий и условий на ребре, а также соответствие полученных решений их априорным свойствам;
проводится исследование внутренней сходимости и устойчивости численного решения;
в тех случаях, когда это возможно, проводится сравнение с теоретическими и экспериментальными результатами, полученными другими авторами.
Практическая значимость работы состоит в том, что
Внедрение результатов исследования влияния объекта измерений на поле коллиматора позволило обосновать технические требования к испытательному оборудованию, что в свою очередь привело к увеличению точности проведения измерений в условиях малого измерительного полигона. Вышесказанное подтверждается соответствующим актом внедрения в "ЦНИИТОЧМАШ".
Разработан комплекс быстродействующих программ, позволяющий решать задачи дифракции электромагнитного поля на нескольких цилиндрических проводящих объектах, бесконечно протяженных вдоль образующих, имеющих произвольные контуры поперечного сечения, а также исследовать влияние рассматриваемых объектов на параметры излучения электрических вибраторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Алгоритм численного решения интегродифференциального и интегрального уравнений задач дифракции электромагнитного поля на проводящих цилиндрических объектах с бесконечными образующими, который, в отличии от существующих в настоящее время методов, дает возможность решать в строгой постановке задачи дифракции на цилиндрических объектах произвольного профиля.
-
Итерационный алгоритм нахождения распределения тока на электрическом вибраторе, расположенном вблизи цилиндрического объекта с произвольным контуром поперечного сечений, основанный, на методе последовательной дифракции, обеспечивающий, в силу своей сходимости, строгое решение задачи.
-
Метод исследования влияния цилиндрического объекта измерений на поле цилиндрического коллиматора, основанный на учете добавочных токов, наведенных исследуемым объектом на зеркале антенны, позволивший увеличить точность проведения измерений в условиях малого измерительного полигона.
Реализация полученных результатов. Работы по теме диссертации проводились в соответствии с программой фундаментальных и прикладных исследований вузов связи РФ "Фундаментальные аспекты новых информационных и ресурсосбережающих технологий".
Полученные результаты внедрены в заинтересованной организации, что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на:
- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского научного и инженерно-технического состава МТУСИ в 1995, 1996, 1997 гг.,
- VII Международной конференции "СВЧ техника и спутниковые телекоммуникационные технологии" (Севастополь 1997 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 82 наименований и приложения. Работа содержит 141 с. основного текста (в том числе 9 с. списка литературы), 52 рис. на 34 с, 3 табл. на 2 с. и приложение на 1 с. Общий объем диссертации 178 с.