Исследование и оптимизация антенных систем с учетом влияния окружения Сандлер, Майя Борисовна

Введение к работе

Актуальность работы. Антенны являются важной и необходимой частью радиооборудования, подвергающейся влиянию окружающей среды. Об'-екты, 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 KB, 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 введення в расчёт на наиболее раннем этапе характеристик окружения.

Наиболее эффективным подходом при этом является применение компьютерных моделей аіггенн, 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 дія объектов специальной формы, такой как цилиндрическая, сферическая, сфероидальная и др. Решение, полученное таким методом, пригодно только для заданного взаимоположеїшя 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 описа
ния 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 (KB, 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 ирактическії актуальных задач проекти — рования антенн позволяет расширить диапазон излучающих систем, поддающихся проектированию на компьютере, и представляет теоретический к практический интерес.

Целью рпботм 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 работы Для достижения поставленной цели необходимо ре — шить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель неидеа-іьно проводящего тонкого провода.

2. Разработать компьютерную программу Д'.л 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 антеннуй систему с учётом влияния металлических конструкций, и 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.

Методе иггллдппаниГг 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 достоперносгь полученных результатов подтверждается:

адекватностью разработанных математических моделей изучаемым физическим процессам;

соответствием компьютерных результатов результатам натурных экспериментов;

соответствием полученных результатов с их аналогами, найденими 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 к потребителей антенных систем мобильных средств связи.

Anpofjj»p_L4ff pnfiftTM- Мятирияічкт 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 —

муникации", посвященной 100—летию Радио и 50—летию НТОРЭС имени АС.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 А.С. 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).

Пуйликяции. 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 объСм 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.