Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Задача об электромагнитном возбуждении металлических тел и ее численное решение 11
1.1. Общие соотношения 11
1.2. Компьютерная программа для расчета электродинамических характеристик антенн 16
Глава 2. Антенны базовых приемопередающих станций подвижной радиосвязи 22
2.1. Общие требования к антеннам базовых станций 22
2.2. Способ устранения интерференционных нулей диаграммы направленности антенной решетки 24
2.3. Сверхширокополосные антенны для базовых станций 31
2.3.1. Особенности логопериодических антенн 32
2.3.2. Методы электродинамического анализа и компьютерное моделирование ЛПВА 39
2.3.3. Компланарные (Е - плоскостные) решетки из ЛПВА 41
Глава 3. Защитные экраны 60
3.1. Передающие радиотехнические объекты и электромагнитная безопасность 61
3.2. Решение электродинамической задачи о рассеянии электромагнитной волны на тонких проводниках 68
3.2.1. Обоснование приближенной модели для тонкого проводника 69
3.2.2. Рассеяние на тонком проводнике 71
3.2.3. Рассеяние электромагнитной волны на системе тонких проводников 78
3.2.4. Особенности вычислительного алгоритма 80
3.3. Результаты электродинамического анализа защитных экранов из пассивных вибраторов 84
3.4. Экспериментальное исследование защитного экрана 96
Заключение 105
Литература 106
Приложение 1
- Компьютерная программа для расчета электродинамических характеристик антенн
- Способ устранения интерференционных нулей диаграммы направленности антенной решетки
- Решение электродинамической задачи о рассеянии электромагнитной волны на тонких проводниках
- Экспериментальное исследование защитного экрана
Введение к работе
Развитие систем подвижной (в первую очередь, сотовой) радиосвязи ставит перед разработчиками антенно-фидерных устройств ряд задач, среди которых отметим следующие:
- разработка антенн приемо-передающих базовых станций с улучшенными радиотехническими характеристиками;
- разработка экранов для защиты от излучения, создаваемого передающими антеннами.
Этим вопросам и посвящена данная диссертационная работа.
Актуальность темы. Антенны базовых станций размещаются на высотных сооружениях и предназначены для радиосвязи с подвижными абонентами, находящимися в пределах заданной территории. Как правило, радиосвязь осуществляется в дециметровом диапазоне радиоволн. Основные требования к радиотехническим параметрам таких антенн заключаются в следующем: достаточная широкополосность, необходимая для обеспечения большого числа частотных каналов; наличие диаграммы направленности заданной формы [1], [2].
В этом направлении антенной техники значительный вклад принадлежит российским ученым, в первую очередь, сотрудникам НИИ Радио (Москва), НИИДАР (Москва), МТУСИ (Москва), СОНИИР (Самара), разработавшим и внедрившим немало эффективных и надежных вариантов антенно-фидерных устройств для профессиональной подвижной радиосвязи.
Научно-исследовательские работы, выполненные в последние годы в русле данной тематики можно разделить на следующие направления.
Разработка коллинеарных антенн с повышенным коэффициентом усиления [3]. Оптимизация геометрии рефлектора панельных антенн с целью приблизить диаграмму направленности к секторной форме [4]. Определение влияния элементов конструкции опорного сооружения на параметры антенн [5]. Определение взаимного влияния антенн, расположенных на общем опорном сооружении [6]. Разработка многодиапазонных антенн [7].
Серьезной проблемой, возникающей при развитии сетей сотовой связи, является увеличение плотности абонентов в больших городах и ограниченность частотного ресурса. В связи с этим возникла концепция построения систем сотовой связи третьего поколения. Предполагается использование в базовых станциях так называемых интеллектуальных антенных систем, основанных на применении адаптивных решеток. Такие системы адаптируют ДН так, что главный луч направляется на ведущего переговоры мобильного абонента, тем самым реализуется пространственное уплотнение каналов и одновременно уменьшается уровень соканальных помех. Примером отечественной разработки такого типа является двухдиапазонная многолучевая антенная решетка с плоской геометрией [8].
Отметим также работу [9], где приведены результаты разработки плоской решетки из полосковых излучателей, возбуждаемых распределительным устройством так, что в горизонтальной плоскости формируется ДН секторного типа с крутыми склонами или многолучевой режим.
Весьма перспективной является разработка антенных решеток с кольцевой геометрией, построенных на принципе схемно-пространственной мультип-лексии, позволяющих формировать ДН в горизонтальной плоскости как всена-правленного, так и секторного типа [10].
Из отечественных производителей оборудования для транкинговой связи отметим компанию «Радиал» [11].
В то же время следует отметить, что развитие сетей сотовой связи в России происходит в значительной мере на основе зарубежных технологий и с использованием оборудования, произведенного зарубежными фирмами. Лидирующее положение на Российском рынке занимает продукция германской компании KATHREN [12]. Число выпускаемой этой фирмой различных моделей всенаправленных антенн достигает 40, а панельных антенн - 200.
Однако условия России требуют подчас специфического подхода, например, для обслуживания обширных малонаселенных районов сельской местности не рационально создавать большое число близко расположенных базовых станций, как это принято на Западе. Ясно, что в этом случае целесообразно создавать базовые станции с максимальной дальностью связи, а, поскольку мощности передатчиков ограничены, необходимо применять антенны с большим коэффициентом усиления и с ориентацией главного максимума диаграммы направленности на линию горизонта. Используемые в настоящее время антенно-фидерные устройства не удовлетворяют в полной мере необходимым требованиям, например, панельные антенны с высоким коэффициентом усиления, выполняемые в виде вертикально ориентированных антенных решеток, имеют недостатки: диаграмма направленности в вертикальной плоскости имеет направления нулевого излучения, что приводит к появлению зон неуверенного приема.
В технике подвижной радиосвязи хорошо известно явление замирания сигнала, вызванное многолучевым распространением радиоволн, возникающим вследствие отражений от земли, зданий и других объектов. Для борьбы с этим явлением применяют разнесенный прием: обычно на базовых станциях размещают две (или более) разнесенные антенны, сигналы которых после детектирования суммируются [1]. Здесь, говоря о недостатках известных антенн, мы имеем в виду другое явление: наличие нулей в диаграмме направленности, неизбежное для антенных решеток, возбуждаемых стандартным образом. Ясно, что указанный метод разнесенного приема не устраняет эти нули диаграммы направленности. Для решения этой проблемы обычно используют небольшую расфазировку излучателей, однако, судя по каталогам ведущих кампаний-производителей антенн для базовых станций сотовой связи [7], [12], устранить все нули не удается.
В настоящей работе предложен простой метод возбуждения антенной решетки, позволяющий устранить все нули диаграммы направленности [14],[15].
Еще одна проблема вызвана тем, что в России действуют системы сотовой связи шести различных стандартов, а это приводит к необходимости использовать на базовых станциях антенны, рассчитанные на различные диапазоны частот. Наличие на одном опорном сооружении нескольких антенн усложняет конструкцию и порождает проблемы электромагнитной совместимости. По этой причине в последнее время находят применение двух и трех диапазонные антенны с диапазонами, соответственно, 900/1800 МГц и 900/1800/2000 МГц.
На наш взгляд, представляет практический интерес антенна, позволяющая без каких-либо дополнительных настроек и переключений перекрыть все используемые диапазоны рабочих частот (800-2000 МГц). Такая антенна может обеспечить передачу (прием) сигналов нескольких приемопередатчиков, расположенных у поверхности земли и подключенных к общему фидеру. Перспективы развития сотовой связи, в том числе освоение видеоканала, также вызывают потребность в сверхширокополосных антеннах. При проектировании таких систем мы будем основываться на работах В.А. Яцкевича, посвященных лого-периодическим антеннам [19],[20],[22],[27].
Характерной чертой развития сотовой радиосвязи в настоящее время является стремительное увеличение числа базовых станций, что порождает проблемы электромагнитной безопасности человека, а также проблемы защиты электронной аппаратуры от воздействия электромагнитных полей. В России действуют довольно жесткие санитарные нормы для радиоизлучения СВЧ -диапазона. Чтобы удовлетворить этим нормам, приходится снижать мощность передатчика, уменьшая тем самым, зону обслуживания. По этой причине, в ряде случаев необходимы дополнительные средства защиты, например, экраны, которые способны снизить уровень электромагнитного поля на рабочих местах персонала радиоцентров. Однако экраны как средства биологической защиты в настоящее время используются редко, несмотря на то, что технология производства легкой металлизированной ткани, непрозрачной для радиоволн дециметрового диапазона, давно освоена. Дело в том, что практически трудно создать экран больших размеров или экран в виде поверхности, замкнутой вокруг рабочего места, а в противном случае явление дифракции радиоволн делает экран малоэффективным.
В данной работе исследуются защитные экраны в виде решетки из тонких металлических стержней, предназначенные для снижения амплитуды падающей электромагнитной волны до требуемого уровня в некоторой заданной зоне и в некоторой полосе частот [37],[38],[39].
В последние годы появилось немало работ, посвященных электродинамическому анализу экранов (рефлекторов), выполненных в виде решеток с частотно-избирательными свойствами, иногда содержащих управляемые элементы [40-43]. Такие экраны находят применение для уменьшения радиолокационной заметности объектов или для усовершенствования зеркальных антенн. Обычно для анализа таких систем решается задача дифракции плоской волны на бесконечной периодической структуре, в результате находится коэффициент отражения (или прохождения) для поля, рассеянного в дальней зоне. В отличие от указанных работ, здесь рассмотрены экраны конечных размеров, причем поле рассчитывается вблизи экрана.
Целью диссертационной работы является:
- исследование и разработка сверхширокополосной антенны, способной перекрывать все используемые операторами сотовой связи диапазоны частот (800-2000 МГц), и при этом обладающей узкой диаграммой направленности в вертикальной плоскости при отсутствии направлений нулевого излучения;
- исследование и разработка удобного в эксплуатации экрана небольших размеров, предназначенного для уменьшения интенсивности радиоволн на рабочих местах персонала радиоцентров.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- предложен способ возбуждения антенной решетки, позволяющий устранить все направления нулевого излучения (интерференционные нули) в зоне обслуживания при незначительном снижении коэффициента направленного действия;
- предложена и исследована решетка из логопериодических антенн, предназначенная для базовых станций подвижной радиосвязи.
- на основе численного решения задачи дифракции радиоволн на решетке из резонансных элементов, исследован эффект «дальнего экранирования», заключающийся в том, что зона с уменьшенным уровнем поля находится вдали от решетки.
Практическая ценность полученных в работе результатов заключается в следующем:
- предложена антенна, применение которой в базовых станциях будет способствовать расширению сетей сотовой связи на обширные малонаселенные территории России;
- создана компьютерная программа для электродинамического расчета и оптимизации параметров защитного экрана;
- разработан защитный экран, предназначенный для уменьшения интенсивности радиоволн на рабочих местах персонала радиоцентров.
Внедрение результатов работы:
- разработанная компьютерная программа для цветовой визуализации электромагнитного поля используется в учебном процессе (в компьютерном лабораторном практикуме по курсу «Электромагнитные волны и их применение в медицине») для студентов Вологодского государственного технического университета, обучающихся по специальности «Инженерное дело в медико-биологической практике»;
- эскизная документация на изготовление разработанного в диссертационной работе защитного экрана передана Федеральному государственному унитарному предприятию: «Российская телевизионная и радиовещательная сеть», филиал «Вологодский областной радиотелевизионный передающий центр»;
- документация на изготовление разработанной в диссертационной работе широкополосной решетки для базовой станции и документация на изготовление защитного экрана передана ЗАО «Вологодская сотовая связь».
Достоверность результатов подтверждена сравнением с известными в литературе данными, а также близостью полученных в работе теоретических и экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональных и международных конференциях.
- Областная научно-техническая конференция «Вузовская наука - региону», Вологда, май 2000 г.;
- IV международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (ЭМС-2001), Санкт-Петербург, Россия, июнь 19-22, 2001 г.;
- региональная научно-методическая конференция «Современная физика и техника в вузе и школе», Вологда, 2004 г.;
- 12-ая Международная конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Крым, Украина, 9-13 сентября 2002 г.;
- IV Международная конференция по теории и технике антенн (МКТТА ОЗ), Севастополь, Украина, сентябрь 9-12, 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ [14,31,37,38,39,51,55], получен патент на изобретение [15].
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Способ возбуждения антенной решетки, позволяющий устранить все интерференционные нули диаграммы направленности в зоне обслуживания.
2. Схема широкополосной решетки для базовой станции, позволяющая обслуживать все стандарты сотовой радиосвязи и численное исследование этой решетки.
3. Результаты численного и экспериментального исследования защитного экрана, работающего в режиме «дальнего экранирования».
Структура диссертации. Текст работы содержит введение, три главы, заключение, список литературы из 55 наименований и четыре приложения. Общий объем работы 126 страниц.
Компьютерная программа для расчета электродинамических характеристик антенн
На основе изложенного выше подхода создано немало универсальных компьютерных программ, позволяющих рассчитывать характеристики антенн. Для антенн, образованных из тонких прямолинейных проводников, широкое распространение получила программа моделирования антенн MMANA, имеющая удобный интерфейс и доступная для всех на сайте www.radio.ru/mmana. Подробное описание программы приведено в [29].
Вычислительной основой MM ANA является MININEC, которая была создана для целей американских ВМС в Washington Research Institute. В программу вводятся координаты и радиусы проводников, образующих антенну и координаты источников. Программа позволяет:- создавать и редактировать описания антенны, как заданием координат, так и с помощью манипулятора «мышь» (CAD-интерфейс);- рассматривать множество разных типов антенн;- рассчитывать диаграммы направленности (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях (под любыми вертикальными углами);- редактировать описание каждого элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его резонансной частоты;- редактировать описание каждого провода антенны. Имеется возможность ерекомпоновки антенны без утомительного перебора цифр координат, простым перетаскиванием «мышью» (всю антенну можно нарисовать одной «мышью»);- создавать файлы-таблицы (формата .csv, просматриваемого в EXCEL) для всех переменных расчетных данных: таблицы токов в каждой точке антен ны, зависимости усиления от вертикальных и горизонтальных углов, таблицы основных параметров антенны как функций частоты и таблицу напряженностей электрических и магнитных полей в заданной области пространства.
Программа MMANA использует метод согласования в точках, причем для улучшения сходимости расстояние между точками (длина сегмента) выбирается неодинаковым. Оно уменьшается от центра проводника к его концам в пределах от Л /DM1 до Л /DM2, где Л - длина волны, на которой проводится расчет; DM1, DM2 параметры, устанавливаемые в закладке «геометрия».
При расчетах следует учитывать ограничения, присущие данной программе:1) диаметр провода должен быть достаточно малым: d 0.02Л;2) длина сегмента должна быть больше, чем диаметр провода;3) длина сегмента должна быть меньше, чем:- (Ш;- минимальное расстояние между соседними проводами;- длина самого короткого провода.
Опыт применения этой программы показывает, что она дает хорошую точность при расчете вибраторных, директорных и других проволочных антенн в диапазонах декаметровых и метровых волн. Однако расчеты в диапазоне дециметровых волн требуют повышенного внимания в силу указанных выше ограничений.
Особое внимание следует уделить второму ограничению. В программе устанавливается по умолчанию DM\ = 400, то есть длина наименьшего сегмента, равна Л1400, что может оказаться слишком малым. Чтобы выполнить ограничение 2, следует задать ОМ\ = Лтт/с!, где d - наибольший из диаметров проводов в антенне. После этого следует вычислить минимальную длину сегмента, равную Лтіп/ М1, и проверить выполнение третьего ограничения. Параметр DM2 должен быть в 5-20 раз меньше, чем DM\.
С целью обосновать применение программы MMANA в диапазоне частот сотовой радиосвязи, нами было проведено сравнение результатов, полученных с помощью этой программы, с известными численными и экспериментальными результатами.
На рис 1.1. показано распределение тока на симметричном вибраторе у которого длина плеча / = 0.375Я; радиус а = 0.007Я, частота / = 900МГц. Точками отмечены результаты, полученные путем решения интегрального уравнения Халлена, ставшие в теории вибраторных антенн эталонными [49, стр. 92]. Сплошной линией показан расчет по программе MMANA.
На рис. 1.2 приведены основные характеристики симметричного вибратора в полосе частот. Длина вибратора выбрана полуволновой для частоты 900 МГц, то есть / = 0.0833м. На графиках сплошная линия соответствует расчету по программе MMANA со следующими установками сегментации: М1 = 100; DM2 = 20. Пунктирная линия соответствует изложенному в п. 1.1. методу ин тегрального уравнения, которое решалось методом Галеркина с использованием кусочно-синусоидальных базисных функций. В данном случае число базисных функций было выбрано равным 9, дальнейшее увеличение их числа не изменяет результата.
Из приведенных примеров видно, что расчеты с помощью программы MMANA и с помощью других хорошо зарекомендовавших себя методов дают практически совпадающие результаты. Такой же вывод можно сделать, сравнивая результаты расчета для более сложных антенн, например директорных. Программа MMANA обычно приводит к матрицам больших порядков, что для антенн сложных конструкций может заметно увеличить время расчетов. Тем не менее, универсальность, возможность применения к проводникам сложной геометрии (изогнутым и произвольно соединенным между собой) делает программу MMANA удобным средством электродинамического анализа антенн.
Для экспериментального обоснования точности расчетов проводились измерения характеристик несимметричного вибратора, представляющего собой медный стержень диаметром 1.5 мм, расположенный в центре латунного диска, радиус которого 180 мм. Вибратор возбуждался кабелем РК-50 через коаксиальный разъем. На рис. 1.3 дан график измеренных значений КСВ в полосе частот (линия с точками). Там же приведены результаты расчета по программе MMANA для несимметричного вибратора над бесконечным экраном (сплошная линия). Сравнение двух кривых говорит о близости экспериментального и расчетного результатов, несмотря на то, что в последнем случае используется упрощенная модель возбуждения в виде дельта генератора.
Способ устранения интерференционных нулей диаграммы направленности антенной решетки
Для базовых станций с большой зоной обслуживания целесообразно в качестве антенны использовать вертикально ориентированную решетку вибраторов с большим коэффициентом усиления (КУ) и с главным максимумом, ориентированным в направлении на границу зоны. Повышение КНД, а значит и коэффициента усиления (достигающее для некоторых образцов 18 дБ), достигается за счет увеличения числа вибраторов и соответствующего увеличения верти 25кального размера антенны. При этом уменьшается ширина главного максимума и одновременно возрастает число нулей диаграммы направленности в вертикальной плоскости. Эти нули возникают за счет интерференции полей, излучаемых элементами решетки, поэтому в дальнейшем будем называть их интерференционными нулями. Наличие указанных нулей приводит к появлению зон неуверенного приема, особенно неблагоприятно на качестве связи сказываются ближайшие к главному максимуму нули, которые соответствуют удаленным точкам приема. Отметим, что широко используемые в системах подвижной связи методы разнесенного приема не решают проблему интерференционных нулей.
Рассмотрим диаграммный множитель синфазно возбужденной решетки:Нетрудно убедиться, что число нулей этой функции в нижнем полупространстве (то есть при 0 # 90) равно Nd/Л, то есть примерно равно вертикальному размеру решетки, выраженному в длинах волн.
Известный способ устранения интерференционных нулей заключается в возбуждении излучателей с небольшой расфазировкой по отношению к синфазному распределению [13, стр. 16-21]. Однако этот способ не позволяет устранить все нули и не всегда практически удобен. Действительно, равноампли-тудное и синфазное возбуждение излучателей в известных решетках осуществляется фидерным устройством, построенным по параллельной схеме, содержащей однотипные отрезки линий передачи и распределители мощности (делители). Необходимость расфазировки приводит к тому, что линии передачи, питающие излучатели должны иметь различающиеся между собой длины, причем разность длин определяется расчетным путем на этапе проектирования устройства. Универсальный алгоритм, позволяющий определить необходимую расфа-зировку, отсутствует, поэтому для каждого варианта необходим персональный расчет по выбору разности фаз и соответствующих длин линий передачи, питающих излучатели. Для антенн, предназначенных для УКВ ЧМ вещания [13, стр. 24-27] число этажей не превышает четырех, поэтому расчет и монтаж фидерного устройства усложняется незначительно. В то же время, для антенн, предназначенных для базовых станций сотовой связи с большим размером обслуживаемой зоны, число излучателей велико (N 6).
В качестве примера в приложении 1 приведены характеристики панельной антенны, выпускаемой фирмой ALLGON. Специально принятые меры позволили разработчикам поднять уровень первого нуля до значения -20дБ (соответствующий параметр в таблице называется «First lower null fill»), однако устранить остальные нули не удалось.
В настоящей работе для устранения всех интерференционных нулей, здесь предлагается возбуждать излучатели следующим образом [14, 15]. Рассмотрим линейную антенную решетку из N одинаковых излучателей (N - нечетное). Диаграмма направленности антенной решетки в вертикальной плоскости (ДНВП) определяется известным выражением:где 1п - комплексная амплитуда тока на входе излучателя с номером п; /„(#) диаграмма направленности излучателя с номером п; в - угол, отсчитываемый от горизонтального направления; к = 2к1 Л; Л - длина волны; хп - координатаизлучателя с номером п, отсчитывается от центрального излучателя; і = V T -мнимая единица; N = 2М +1 - число излучателей в решетке.
Полагаем, что излучатели возбуждены равноамплитудно и синфазно (или с линейным набегом фаз), что, как известно, дает максимальное значение КНД решетки при условии, что взаимной связью можно пренебречь. Примем такую нормировку токов, что на входе центрального излучателя ток равен 1с = 1, а соответствующую ДНВП обозначим F0 (в). Изменим ток на входе центрального излучателя, сделав его равным где f{0) - диаграмма направленности центрального излучателя, которую считаем слабонаправленной и не имеющей нулей в угловом секторе обслуживания. Очевидно, что в диаграмме (2.4) новых нулей не возникает, а в направлениях на прежние нули, для которых Fo(0m) = O, значение (2.4) равноF(0m) = af(0m). Относительный уровень ДНВП в направлении на прежние нули, ближайшие к главному максимуму, станет равным
Здесь учтено, что Fmax « Nf. Как видно, параметр а = N8 определяет глубинуминимумов в диаграмме направленности решетки.Таким образом, в предлагаемом методе все интерференционные нули устраняются за счет изменения возбуждения только одного (центрального) излучателя. Согласно (2.2), центральный излучатель возбужден так, что его амплитуда возбуждения превышает амплитуду возбуждения остальных излучателей в К раз, а фаза возбуждения центрального излучателя отличается от фазы возбуждения остальных излучателей на величину А р, причем значения К и Аср следует выбирать из соотношения:где N- число излучателей в решетке (нечетное); 8 - заданное значение нормированной диаграммы направленности в вертикальной плоскости в направлении минимума, ближайшего к главному лепестку.
Существенно, что, согласно (2.3-2.4), к диаграмме направленности син-фазно-равноамплитудно возбужденной решетки добавляется величина во временной квадратуре, поэтому новых интерференционных нулей не возникает. Диаграмма направленности антенны в горизонтальной плоскости остается неизменной.
Снижение КНД решетки можно оценить по формуле, вывод которой дан в приложении 2:где DQ- КНД синфазно и равноамплитудно возбужденной решетки. При выводе (2.7) предполагалось, что взаимной связью можно пренебречь, что оправдано для решеток с периодом, превышающим 0.7/L Как видно из (2.7), снижение КНД по сравнению с величиной D0 незначительно, поскольку на практике значение параметра 8 мало: 82 0.04. D
Решение электродинамической задачи о рассеянии электромагнитной волны на тонких проводниках
Задача об электромагнитном возбуждении тонкого проводника была впервые рассмотрена еще в 1940-е годы, однако и по сей день ее численное решение вызывает неизменный интерес. Следует отметить, что наибольшее число публикаций на эту тему посвящено возбуждению проводника сосредоточенным источником, то есть вибратору в режиме передачи (см. обзор [46]). Что касается задачи о рассеянии электромагнитной волны на тонком проводнике, то соответствующих публикаций значительно меньше, причем в них исследуется, в основном, рассеянное поле в дальней зоне (как правило, эффективный поперечник рассеяния).
Здесь, учитывая большой объем вычислений, связанный с необходимостью оптимизации параметров системы тонких проводников, мы выберем наиболее рациональный метод электродинамического анализа и применим его к разработке экрана.
Рассмотрим сначала двумерную задачу о падении плоской волны на металлический цилиндр бесконечной длины. Для такой задачи известно аналитическое решение, которое для случая Е-волны дает следующее выражение для поверхностной плотности продольного электрического тока на цилиндре [44с.245]:где Н - функция Ганкеля 2-го рода [47]; Z0 = 120л- Ом; а - радиус цилиндра; ср - угловая координата точки на поверхности цилиндра.Это выражение получено путем использования граничного условия на поверхности цилиндра: Ez(r = а) = 0.
Полный электрический ток на поверхности цилиндра найдем путем интегрирования поверхностного распределения тока:выражение для полного тока на цилиндре:которое справедливо для цилиндра любого радиуса.Покажем, что этот же результат можно получить, требуя выполнения граничного условия только на оси цилиндра. Для этого учтем, что поле тонкой двумерной нити синфазного тока с амплитудой / дается выражением [44, с.99]:где г - расстояние от нити до точки наблюдения.
Пусть по поверхности цилиндра течет ток с поверхностным распределением Jz( p), тогда элемент поверхности шириной ds = a d p создаст, согласноцилиндра, создаваемое поверхностным током /z( p), будет равно:
Граничное условие на оси цилиндра E z(r = 0)+ Е0 = 0 запишем с учетом откуда вновь получим (3.3).Таким образом, выражение для полного тока Iz на цилиндре любого радиуса можно получить, требуя выполнения граничного условия только на оси цилиндра. В то же время, нетрудно показать, что для цилиндра малого радиуса (ка «і) знание полного тока Iz на цилиндре позволяет определить рассеянноеполе с точностью, которая улучшается при удалении от цилиндра.
Вышесказанное справедливо и для цилиндрических проводников конечной длины и позволяет записать интегральное уравнение относительно полного тока на поверхности проводника, используя граничное условие на его оси. Такой подход удобен в вычислительном отношении, поскольку интегральное уравнение оказывается одномерным и несингулярным, по этой причине он будет использован ниже.
Рассмотрим тонкий цилиндрический проводник, на который падает плоская электромагнитная волна (рис. 3.1). Под тонким проводником понимаем такой, для которого а«1 и а «Я, где а- радиус проводника, /- его половинная длина, Я - длина волны падающего поля. В то же время радиус проводника должен намного превышать толщину скин-слоя, что, как правило, выполняется в радиодиапазоне.
Запишем электрическое поле падающей волны в виде:где Ё\1\ - поле, созданное током l{z), под которым мы понимаем полный ток, текущий по поверхности проводника.
Согласно изложенному в п. 3.2.1, граничное условие Е2 =0 будем выполнять на оси проводника. Тогда (3.9) дает операторное уравнение: Если вектор Ёпад имеет составляющую, ортогональную проводнику, то напроводнике, помимо продольной, появляется также азимутальная компонента тока, однако кольцевой ток малого радиуса порождает поле, которым можно пренебречь. Таким образом, в любом случае ток на проводнике будем считать продольным.Для вычисления рассеянного поля Ё [і] перейдём к цилиндрическим координатам, гдеРис. 3.2. Цилиндрические точка наблюдения задаётся значениями r,(p,zкомпоненты поля /рис 2 2) Согласно (1.4), векторный потенциал имеет только составляющую Az, не зависящую от угла р:
Экспериментальное исследование защитного экрана
Вариант экрана с числом элементов 7x7 был исследован экспериментально. Для этого был изготовлен макет экрана в расчете на частоту 900 МГц. Каждый элемент представляет собой два крестообразно расположенных под углом 90 вибратора, не имеющих между собой электрического контакта и выполненных в виде полоски из алюминиевой фольги длинной 168 мм, шириной 5 мм. Здесь учтено известное соотношение эквивалентности между проводниками цилиндрического и плоского сечений: s «1.5с/, где s- ширина полоски, d-диаметр цилиндрического проводника. Вибраторы закреплены лентой «скотч» на полиэтиленовой пленке, которая растянута на деревянной прямоугольной раме (рис. 3.23). Период решетки d -dz - 0.24м, а общий размер 1.44х 1.44 м .
Схема измерений представлена на рис. 3.24. В качестве источника падающей волны использовалась эталонная антенна П6-23А, а в качестве измерительного зонда - полуволновой вибратор с симметрирующим устройством мос-тикового типа. чала антенна располагалась таким образом, чтобы Е - плоскость излучаемой волны была параллельна вибраторам.
Показания измерительного зонда, при наличии экрана нормировались на показания без экрана и представлены в виде графиков на рис. 3.25-3.27.
Зонд перемещался вдоль оси экрана, проходящей через его центр (рис. 3.25), а затем в сечении х = 6м, соответствующем минимуму поля, зонд перемещался в двух взаимно ортогональных направлениях (рис. 3.26 и 3.27).волны, вектор Е которой, направлен под углом 45 к вибраторам, составляющим элемент решетки. Как видно из рис. 3.28-3.30 зона экранирования практически не изменяется. Таким образом, предложенный экран сохраняет свои свойства при изменении поляризации падающей волны.
Приведенные выше результаты соответствуют падению волны по нормали к решетке. Для случая падения волны на экран под углом 10 к нормали (рис. 3.31-3.33) или менее форма зоны экранирования незначительно изменяется.
Суммарная погрешность измерений не превосходит \.5дБ. Как видно, результаты измерений подтверждают эффект дальнего экранирования, установленный расчетным путем. Основное различие между измерением и расчетом состоит в том, что в первом случае минимум интенсивности поля находится на расстоянии 6 метров от экрана, а во втором - на расстоянии 5 метров (рис. 3.25). Это расхождение объясняется тем, что в случае измерений фронт волны, падающий на решетку, является сферическим, а не плоским, как принято в расчетах. Наличие сферического фронта можно учесть с помощью известного в теории дифракции соотношения:где г - расстояние от экрана до источника сферической волны; х, - расстояние от экрана до точки наблюдения при облучении экрана сферической волной; х2- такое же расстояние при облучении экрана плоской волной. Это соотношение можно получить, например, приравнивая (3.32) и (3.33).
Расчеты дают координату минимума х2 = 5 м, тогда, учитывая что в данных измерениях г = 30м, получим из (3.35) координату минимума xt =6м, чтосогласуется с результатами измерений.В качестве приемлемого уровня экранирования выберем значение ослабления поля -\0дБ. На частоте fc =895МГц размеры зоны экранирования поуровню -\0дБ по координатам х, у, zравны соответственно 4х 1.25х 1.25мсогласно измерениям и 3.5 х 0.9 х 0.75м3 согласно расчетам.
Результаты, приведенные для частот 885МГц и 910МГц, говорят о том, что, несмотря на резонансные свойства экрана, зона экранирования сохраняется в полосе частот А/ = 25 МГц, что соответствует относительной полосе частот ty/fcp =2.8%. Такая полоса частот достаточна для экранирования поля, излучаемого базовой станцией работающей в передающем режиме в любом из стандартов сотовой связи (таблица 2.1).
Экспериментально исследованный экран прост в изготовлении и малочувствителен к погрешностям при монтаже.
Таким образом, предлагаемый экран может быть использован для защиты персонала или аппаратуры от излучения радиопередающих объектов.
Основные результаты данной работы заключаются в следующем.1. Предложен и исследован способ возбуждения линейной антенной решетки, позволяющий устранить все интерференционные нули диаграммы направленности в зоне обслуживания при незначительном снижении КНД.2. На основе компьютерного моделирования показана возможность создания антенны в виде Е-плоскостной решетки из ЛПВА, способной поддерживать все используемые в России стандарты сотовой связи.3. Рассмотрена задача о падении электромагнитной волны на систему тонких проводников, выбран метод численного решения, создана компьютерная программа, осуществляющая цветовую визуализацию электромагнитного поля.4. Рассмотрены экраны в виде плоской решетки из металлических стержней (или полосок) и на основе созданной программы установлены свойства таких экранов, в частности, показано, что за счет выбора периода решетки и длины стержней можно реализовать режим дальнего экранирования, когда зона с низким уровнем электромагнитного поля находится вдали от экрана.
Удаленность зоны экранирования от экрана, так же, как и уменьшенная металлоемкость, является практическим преимуществом таких экранов при их использовании для биологической защиты.5. Создан макет экрана и проведены измерения интенсивности поля, которые подтвердили результаты расчетов. Результаты теоретического и экспериментального исследования показали, что экраны данного типа можно использовать как редства электромагнитной защиты рабочих мест, расположенных вблизи передающих антенн.
