Введение к работе
Актуальность темы и состояние вопроса.
Теория и практика построения вибраторных антенн занимает одно из центральных направлений в теории и технике антенно-фидерных устройств.
Вибраторные антенны являются широко распространенным типом излучателей, используемых на различных объектах.
При анализе действующих антенн, а также при разработке новых типов антенн перед специалистами встает задача определения параметров излучателей, расположенных вблизи границы раздела хвоздух - среда, обладающая проводимостью»: входного сопротив-иения Zejc, сопротивления излучения i?z, распределения тока по
штенне Іуд) и др. Кроме того, часто необходимо знание диаграммы направленности и структуры поля вблизи антенны. Определение достоверных значений напряженностей электрического и магнитного полей особенно актуально при решении проблем электромагнит-яой совместимости (ЭМС) и электромагнитной экологии (ЭМЭ).
Основополагающими работами, посвященными строгому расчету распределения тока по вибратору можно считать труды і. Галлена, Леонтовича М.А и Левина М.Л. В них рассмотрен тонши трубчатый вибратор, расположенный в свободном пространстве, интегральное уравнение, полученное в этих работах, названное сравнением Галлена, позволяло вычислить распределение тока по зибратору и его входное сопротивление в свободном пространстве. Дальнейшее развитие эта теория получила в работах Р. Кинга, Сляцкина И.Г., Неймана М.С. и Соколова Н.О. Для решения указаний задачи широко используется также интегро-дифференциальное сравнение, полученное X. Поклингтоном.
Наиболее часто интегральные уравнения Галлена и Поклингто-т решают методом моментов (см., напр., работы Р.Харрингтона, Z. Митры). По существу он сводится к преобразованию указанных
уравнений в систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) N неизвестными. Эти неизвестные обычно представляют собой КС эффициенты разложения для тока в некоторой подходящей системе ба зисных функций. В зависимости от того, какие выбраны базисные и ве совые функции, существует достаточно большое разнообразие кои кретных реализаций данного метода.
Указанные работы позволили получить представление о парамеї pax вибраторных антенн, расположенных в свободном пространстве Однако, для решения многих практических задач, требовалось знани параметров антенн, расположенных вблизи поверхности раздела дву сред, например вблизи поверхности земли или воды. Наиболее простої путь - представить подстилающую поверхность в виде бесконечно: идеально проводящей плоскости. Используя метод зеркального ото бражения, можно перейти от модели с границей раздела к системе свя занных вибраторов. В этом случае параметры вибратора можно опре делить приближенно методом наведенных ЭДС. Эта же задача може быть решена в строгой постановке методом интегральных уравнение Наиболее подробно ее решение описано в работах Тихонова А.Н Дмитриева В.И., Эминова СИ. и Радцига Ю.Ю. Долгое время реше нием подобных уравнений занимались Нефедов Е.И. и Неганов В.А.
Замена реальной земной поверхности идеальнопроводящей плос костью не решила полностью проблему определения параметров ре альных антенн. Интерес к этой проблеме не ослабевает и в настояще время. В последние десятилетия появилось большое число работ, в КС торых авторы решают эту задачу в строгой постановке. К наиболе важным работам в данном направлении относятся статьи Д. Чанп Дж. Вэйта, Рашковского С.Л. Однако, и до настоящего времени, в ре шении этой проблемы существует много пробелов. Подробный анали указанных научных работ показал, что:
решение данной задачи часто проводилось с использование! грубых математических моделей, использование которых може привести к значительным погрешностям;
в работах, где использованы строгие модели, большинство ре зультатов приведены для полуволнового вибратора, рассматривается
один - два вида подстилающей поверхности, практически не отражены вопросы контроля точности вычислений;
многие работы, решение в которых находилось с использованием численных методов, проводились на вычислительной технике, имеющей крайне ограниченные возможности;
отсутствуют исследования систем вибраторов вблизи границы раздела. При рассмотрении подобных задач авторы, как правило, используют замену реальной земли идеальнопроводящей, что существенно упрощает задачу, но и приводит к дополнительной погрешности;
отсутствуют данные по расчету тока и входного сопротивления заземленного вертикального вибратора, хотя именно эта модель наиболее близка к реальным антенным системам, например, средневолновым антенным системам.
Цель работы: Исследование влияния границы раздела реальных сред на параметры вибраторных антенн на основе строгой постановки соответствующей электродинамической задачи.
Основные задачи исследования.
1.Решение задачи о распределении тока по уединенному линейному электрическому вибратору, расположенному вблизи границы раздела двух сред, методом интегральных уравнений. Исследование зависимости параметров вибратора (/ , Zex) от свойств подстилающей среды (,//, с) и высоты подвеса над границей раздела.
Исследование структуры электромагнитного поля вблизи электрического вибратора, расположенного у границы раздела сред.
2.Исследование зависимости параметров систем вибраторов, расположенных над границей раздела, от свойств подстилающей среды (,/Л,<т)и высоты подвеса.
3.Решение задачи о распределении тока по заземленному линейному электрическому вибратору методом интегральных уравнений. Исследование зависимости параметров вибратора, частично уг-
лубленного во вторую среду, (1{С) , Zgf) от свойств этой сред
(,/Л,<т) и глубины погружения. Исследование структуры электр»
магнитного поля в ближней зоне, создаваемого заземленным электр] ческим вибратором.
Методы исследования.
Все рассматриваемые задачи сведены к интегральным уравнені ям Фредгольма 1-го рода, допускающим построение устойчивого чи ленного решения путем сведения их к системам линейных алгебраич ских уравнений (СЛАУ). Используется метод саморегуляризации с к сочно-постоянной аппроксимацией искомых функций. В результат решения СЛАУ определяются токи, текущие по вибраторам. Электр! магнитное поле вычисляется на основе численного интегрирован! найденных токов.
Достоверность основных результатов и выводов диссертациоі ной работы обусловлена следующим. При выводе интегральных ураї нений выражения для электромагнитного поля были записаны в форм автоматически удовлетворяющей уравнениям Максвелла и условию і бесконечности. Граничные условия на границе раздела выполнялш благодаря выбору функции Грина двухслойного пространства. Инг гральные уравнения записывались на основе граничного условия і поверхности вибратора. При построении численного решения анализ] ровалась его устойчивость и внутренняя сходимость. Проверялась н вязка решения, которая в рассматриваемом случае имеет смысл прі верки точности выполнения граничных условий на поверхности ви! ратора. Условия на концах вибратора удовлетворялись благодаря опр делению в процессе решения входящих в правую часть неизвестнь постоянных. В тех случаях, когда это было возможно, проводило< сравнение полученных результатов с известными ранее.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены следующие теоретические и практические результаты:
р строгой постановке решена задача об излучении электромагнитных волн вертикальным электрическим вибратором, частично погруженным во вторую среду;
на основе полученного решении исследованы зависимости распределения тока и входного сопротивления заземленного вибратора от параметров второй среды (,//, сг);
разработан алгоритм численного анализа параметров связанных вибраторов, расположенных параллельно границе раздела;
проведены подробные исследования зависимости параметров вертикального и горизонтального линейных электрических вибраторов, расположенных над границей раздела двух сред, от электрофизических свойств второй среды.
Практическая ценность.
1.Разработан алгоритм и комплекс программ для расчета параметров вертикальных заземленных вибраторов.
2.Разработан алгоритм и комплекс программ для расчета параметров систем горизонтальных вибраторов, расположенных вблизи реальной границы раздела.
Положення, выносимые на защиту:
1.Алгоритм анализа параметров вертикального электрического вибратора, частично погруженного во вторую среду, основанного на строгой постановке соответствующей электродинамической задачи.
2.Алгоритм анализа систем горизонтальных электрических вибраторов, расположенных параллельно границе раздела сред, с учетом их взаимного влияния.
3.Результаты анализа влияния свойств второй среды (почва, вода) на параметры вертикальных электрических вибраторов, в том числе, частично углубленных во вторую среду.
4.Результаты анализа влияния свойств второй среды на параметры симметричных горизонтальных электрических вибраторов, в том числе, систем связанных вибраторов.
Реализация результатов работы.
Научные результаты, полученные в диссертационной работе, вошли в заключительный отчет НИР «Поисковые исследования путей создания передающей антенны СДВ диапазона на эффекте сверхпроводимости», проводимых МТУСИ и МТП «ЗАРЯ - РНЦ КАИ» (г. Москва), а также были использованы в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, проводимых на ВАЗе (г.Тольятти).
Новые алгоритмы, разработанные в диссертационной работе, использованы в учебном процессе ПИИРС при дипломном проектировании и в учебно-исследовательской работе студентов.
Использование результатов работы подтверждено соответствующими актами о внедрении.
Апробация результатов работы и публикации.
Основные теоретические положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях в Московском техническом университете связи и информатики в 1995 и 1996 г.г., а также на конференции в Поволжском институте информатики, радиотехники и связи в 1996 г. Опубликовано 7 печатных работ, из них: 4 научных статьи в журналах, 3 тезисов докладов на конференциях.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложений и списка литературы из 103 наименований. Она содержит 106 страниц основного текста (в том числе 11 страниц списка литературы), 63 рисунка на 52 страницах и 4 приложения на 14 страницах. Общий объем работы 172 страницы.