Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы развития антенн комплексов подвижной радиосвязи 17
1.1. Перспективы развития комплексов радиосвязи в России и за рубежом 17
1.2. Анализ типов антенн для перспективных радиокомплексов 23
1.3. Анализ основных методов расчета цилиндрических антенн с диэлектрическими покрытиями 29
1.4. Основные направления научно-теоретических исследований . 34
1.5. Выводы по разделу 38
2. Излучение продольных вибраторов в присутствии цилиндра с магнитодиэлектрическим покрытием 40
2.1. Представление поля 40
2.2. Определение коэффициентов разложения 47
2.3. Поле в диэлектрике 51
2.4. Поле вне диэлектрика. Диаграмма направленности 55
2.5. Выводы по разделу 61
3. Структура поля вибратора в присутствии цилиндра с диэлектрическим покрытием 63
3.1. Распределение тока в вибраторе в присутствии цилиндра с диэлектрическим покрытием 63
3.2. Особенности вычисления коэффициентов взаимной связи продольных вибраторов в присутствии цилиндра с диэлектрическим покрытием 67
3.3. Анализ условий возникновения поверхностных волн на цилиндре с диэлектрическим покрытием 76
3.4. Влияние многомодового характера распределения тока в вибраторах на диаграмму направленности 79
3.5. Выводы по разделу 80
4. Исследование поля вибратора в присутствии цилиндра с диэлектрическим покрытием 82
4.1. Исследование электромагнитного поля вибратора в ближней зоне . 82
4.2. Исследование диаграммы направленности вибратора 85
4.3. Влияние магнитодиэлектрического слоя на входное сопротивление вибратора 88
4.4. Характеристики излучения и согласования цилиндрической антенны с магнитодиэлектрическим покрытием 92
4.5. Выводы по разделу 93
Заключение 95
Список литературы 97
- Анализ основных методов расчета цилиндрических антенн с диэлектрическими покрытиями
- Распределение тока в вибраторе в присутствии цилиндра с диэлектрическим покрытием
- Анализ условий возникновения поверхностных волн на цилиндре с диэлектрическим покрытием
- Влияние магнитодиэлектрического слоя на входное сопротивление вибратора
Введение к работе
0.1.1. Ни одна из отраслей человеческой деятельности не является столь многогранной и динамично развивающейся, как использование электромагнитных волн при решении задач радиосвязи, радиоопределения, радионавигации, радиолокации, радиопеленгации, радиоастрономии, всемирного координирования времени и ряда других направлений. Столь широкое использование явлений излучения, передачи и приема электромагнитных волн побудило к созданию Международного союза электросвязи и одного из основополагающих документов, регулирующих использование электромагнитных волн [1].
Несмотря на то, что по своей сути «Регламент радиосвязи» является организационным документом, в принципы, на которых он основывается, заложена необходимость внедрения в кратчайшие сроки новейших технических достижений [1]. В соответствии с указанными принципами все станции, независимо от их предназначения, должны устанавливаться и эксплуатироваться таким образом, чтобы не причинять вредных помех радиосвязи или радиослужбам других Членов Союза.
Вопросы исключения вредного взаимного влияния передающих станций различных радиослужб решаются в настоящее время, как правило, на основе распределения частотного спектра между соответствующими радиослужбами и выделения требуемых частот станциям данных радиослужб. Однако существующие ограничения на естественные ресурсы, к которым относится частотный спектр сигналов, требуют все более широкого использования технических мероприятий по улучшению электромагнитной совместимости различных радиосредств. Для этого, как отмечается в [1], излучение в ненужных наравлениях и прием с ненужных направлений должны быть сведены к минимуму, если характер службы это позволяет, путем максимального использования свойств направленных антенн.
0.1.2. Изложенные выше наиболее общие принципы построения радиосредств определяют постоянный рост требований, которым должны удовлетворять антенно-фидерные устройства радиосистем. Связанное с этим расширение круга задач, решаемых современными радиосистемами, заключающаяся не только в передаче или приеме информации по радиоканалам, но, и в ряде случаев, определении местоположения объекта и его идентификации, а также их усложнение стимулировало интенсивное развитие антенных систем и, как следствие, проведение исследований по широкому кругу вопросов, связанных с теорией и техникой антенн.
Конструктивно антенны в процессе развития также существенно видоизменяются. Наряду с проволочными вибраторными антеннами, созданными на первых этапах развития, широкое распространение получают апертурные антенны, антенны бегущей волны, фазированные антенные решетки, щелевые, импедансные, диэлектрические, ферритовые и другие типы конструктивного исполнения антенн [2, 3].
Кроме излучения и приема электромагнитных волн для передачи информации на расстояние или извлечения данных о положении и движении объекта антенная система стала выполнять ряд дополнительных функций, включая пространственную, временную и пространственно-временную обработку принятых сигналов, адаптацию, самонастройку для обеспечения помехозащищенности и электромагнитной совместимости радиосистем. В ряде случаев возникает необходимость осуществления пространственно-временной фильтрации полей источников, расположенных в зоне Френеля [2-5].
Одной из важных проблем современной радиоэлектроники является одновременное обеспечение широкоугольного сканирования и электромагнитной совместимости радиотехнических систем, так как все шире используется различная радиоэлектронная аппаратура, растет число одновременно излучающих и принимающих антенн. Особую актуальность указанная проблема приобретает в связи с интенсивным развитием систем сотовой и мобильной связи [6]. В этом случае антенна, предопределяющая в большинстве случаев характеристики радиосистем в целом, будет определять не только зону охвата и доступности индивидуальных пользователей, но и саму возможность бесконфликтного использования систем связи в данном регионе.
Таким образом, наряду с антеннами, представляющими простые взаимные устройства, для решения возникающих задач применяются и антенные системы, являющиеся совокупностью излучателей, расположенных на неплоской поверхности и обеспечивающие одновременное решение целого ряда задач, направленных на достижение радиосистемой заданных ТТХ.
Значительная роль в современной радиоэлектронике принадлежит антенным решеткам с неплоским и, в частности, цилиндрическим излучающим рас-крывам, теория и техника которых интенсивно развивается в последние три десятилетия. Совместно с диэлектрическими покрытиями такие антенны образуют сложные излучающие структуры, путем изменения параметров которых возможно решение самого широкого круга задач по обеспечению формирования ДН заданной формы, согласования , широкой полосе частот и ряда других задач. Однако для таких сложных структур, закономерности влияния различных параметров в которых мало исследованы, возможность сокращения времени на разработку, оптимизацию параметров непрерывно связаны с разработкой адекватных реальным устройствам математических моделей разного уровня сложности, численных методов решения краевых задач электродинамики, создания программно-вычислительных комплексов для решения систем интегральных уравнений с тензорными функциями Грина.
В связи с этим проведение исследований по различным направлениям теории антенн включает в себя и решение вопросов в области радиофизики, прикладной и вычислительной электродинамики. Все это определяет несомненную актуальность исследований по вопросам теории цилиндрических ан
тенных решеток с диэлектрическими укрытиями и их несомненную значимость не только для теории и техники антенн, но и в области радиофизики, включая исследование структуры и характер распределения электромагнитных полей как в слое диэлектрика, так и вне его.
0.2. Предмет, цель и рамки исследований
Усложнение задач, решаемых антеннами в составе радиосистемы и, в частности, в составе станций сотовой и мобильной радиосвязи, требует при исследовании таких антенн широкого использования положений и теории сложных систем, на основе которого могут быть сформулированы требования к антенным системам и определены направления их совершенствования. В соответствии с таким подходом проведение исследований может быть сведено к рассмотрению вопросов в следующих областях [7-9]: анализ явлений возбуждения электромагнитных полей излучающими структурами; проектирование устройств генерации, преобразования частоты и усиления сигналов; проектирование устройств и вычислительных средств для извлечения и обработки информации, передаваемой по радиоканалам.
При исследовании антенной системы параметры устройств генерации, преобразования частоты и усиления сигналов, методы и алгоритмы обработки принимаемых сигналов считаются заданными и являются внешними параметрами по отношению к излучающему раскрыву.
В связи с вышесказанным, предметом исследований являются закономерности явлений возбуждения электромагнитных полей излучающими структурами, связывающие параметры структуры с характеристиками распределения полей в ближней и дальней зонах.
Объект исследования - излучающая структура в виде системы продольных электрических вибраторов, расположенных параллельно образующей металлического цилиндра с диэлектрическим покрытием.
Цель диссертационной работы - создание комплекса эффективных методик, алгоритмов и программных средств для электродинамического анализа излучающих структур в виде системы продольных вибраторов, расположенных вблизи металлического цилиндра в магнитодиэлектрическом слое с учетом векторного и многомодового характера распределения полей и токов в ближней и дальней зонах.
0.3. Научная новизна, практическая значимость исследований и основные положения, выносимые на защиту
0.3.1. Научная новизна полученных в диссертации результатов определяется поставленными задачами, разработанными новыми алгоритмами расчета электромагнитных полей, возбуждаемых продольным вибратором в присутствии цилиндра с диэлектрическим покрытием, и впервые полученными результатами моделирования:
0.3.1.1. Аналитическими соотношениями, описывающими компоненты электромагнитного поля, возбуждаемого в ближней и дальней зонах продольным электрическим диполем в присутствии металлического цилиндра с магни-тодиэлектрическим покрытием.
0.3.1.2. Решением в строгой постановке задачи о вычислении входного сопротивления электрического вибратора в присутствии металлического цилиндра с магнитодиэлектрическим покрытием.
0.3.1.3. Исследованием закономерностей влияния параметров металлоди-электрического слоя на цилиндре на структуру и характер распределения электромагнитного поля в ближней зоне, диаграмму направленности и входное сопротивление продольно ориентированного электрического вибратора.
.3.2. Практическая значимость выполненных исследований состоит в том, что разработанные алгоритмы и созданный на их основе программно-вычислительный комплекс могут быть использованы при автоматизированном проектировании цилиндрических антенн с металлодиэлектрическим покрытием.
0.3.3. На защиту выносятся следующие основные положения теоретических и прикладных исследований:
0.3.3.1. Определение электромагнитного поля продольного электрического диполя, расположенного в слое магнитодиэлектрика вблизи кругового металлического цилиндра.
0.3.3.2. Решение задачи о распределении тока в продольном электрическом вибраторе, расположенном в слое магнитодиэлектрика вблизи кругового металлического цилиндра..
0.3.3.3. Результаты исследований распределения полей в ближней и дальней зонах при возбуждении металлического кругового цилиндра, покрытого слоем магнитодиэлектрика, а также изменения входного сопротивления вибратора в зависимости от геометрических и электродинамических параметров слоя.
0.4. Апробация, публикация и реализация результатов работы
Диссертационная работа выполнена в соответствии с основными направлениями научно-технических исследований по развитию систем радиосвязи с целью расширения зон уверенного приема радиосигналов в условиях городской застройки и на местности.
По теме диссертации опубликовано 18 работ, в том числе: 9 статей и 9 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- 3-я международная конференция «Использование радиочастотного спектра для радиосвязи, радиовещания и телевидения; правовые аспекты спектра регулирования деятельности операторов связи в России» «Спектр-2001», Москва, Россия, 2001;
- 2-я международная конференция «Развитие радиомониторинга в России» «Радиомониторинг-2002», Москва, Россия, 2002г.;
- 2-я международная НТК «Физика и технические приложения волновых процессов», Самара, Россия, 2003г.;
- IX международная НТК «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, Россия, 2003 г.;
- Международная НТК «Излучение и рассеяние ЭМВ» ИРЭМВ-2003, Таганрог, Россия, 2003 г.;
- V международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии «ЭМС-2003», Санкт-Петербург, Россия, 2003 г.;
- IV Международная конференция по теории и технике антенн (МКТТА ОЗ), Сентябрь 9-12, Севастополь, Украина, 2003г.;
- научно-практическая конференция «Телеком-2004», Ростов-на-Дону, Россия, 2004г.
0.5. Структура и основное содержание работы
Результаты исследований изложены во введении, четырех разделах, заключении и трех приложениях.
Первый раздел диссертационной работы посвящен анализу направлений развития системы связи и телекоммуникации в РФ. Основой данного анализа является рассмотрение системы связи с позиций семиуровневой модели, в которой функции взаимодействия и реализации услуг в сети связи разделяются на семь уровней. При этом устойчивость функционирования системы связи в це лом определяется характеристиками, обеспечиваемыми на четырех нижних уровнях (соответственно, физическом, канальном, сетевом и транспортном).
Технической основой реализации четырех нижних уровней сети являются радиокомплексы, аппаратура которых используется для построения физического и канального уровней. При этом интегральные характеристики сети связи в значительной степени определяются достоверностью передачи элементарных символов (сообщений), реализуемой на физическом уровне.
Одним из проблемных вопросов, возникающих при увеличении объемов передаваемой информации, количества абонентов и существующих при этом ограничениях естественных ресурсов, к которым относятся радиочастоты, возможное время передачи сигналов, места для расположения РЭС, включая и на геостационарной орбите, является исключение взаимных вредных помех при совместной работе различных радиосредств. Последнее достигается пространственной селекцией сигналов, приходящих с различных направлений, на основе формирования антеннами РЭС остронаправленных ДН с низким уровнем боковых лепестков.
В качестве антенны, реализующей указанные возможности, предлагается использовать систему продольных электрических вибраторов, расположенных в магнитодиэлектрическом слое вблизи идеально проводящего кругового цилиндра.
Во второй части первого раздела дан обзор и проведен краткий анализ существующих методов определения электромагнитных полей в ближней и дальней зонах системы продольных вибраторов, расположенных в слое магни-тодиэлектрика вблизи идеально проводящего кругового цилиндра.
Известные в настоящее время методы и полученные на их основе результаты исследований не рассматривают трехмерные распределения компонент напряженностей электрического и магнитного полей в ближней и дальней зонах. Отсутствие таких результатов не позволяет с единых позиций рассматривать взаимосвязь между характеристиками излучения и согласования, прово дить всесторонний анализ влияния геометрических и электродинамических параметров магнитодиэлектрика на характеристики излучения и согласования продольного вибратора.
Выявленные несоответствия между возможностями существующего научно-методического аппарата и необходимостью всестороннего взаимосвязанного анализа характеристик излучения и согласования цилиндрических антенн с магнитодиэлектрическим покрытием позволили сформулировать научные задачи диссертации, определить частные научные задачи по основным направлениям теоретических и прикладных исследований в области электродинамики, теории и техники антенн, решение которых позволит достичь поставленных задачи и цели диссертации.
Второй раздел диссертации посвящен нахождению поля продольного вспомогательного диполя. Решение указанной задачи проводится на основе метода частичных областей, в качестве которых рассматриваются магнитодиэлек-трический слой и область свободного пространства. В каждой из областей вводятся электрический и магнитный электродинамические потенциалы, имеющие только z-составляющие и определяемые в виде разложения по собственным функциям соответствующей области с неизвестными коэффициентами.
Наложение граничных условий на поля на границах раздела сред (магни-тодиэлектрик - металл и магнитодиэлектрик - свободное пространство) позволяет сформулировать систему с шестью группами уравнений, содержащих шесть неизвестных. Отличительной чертой проведенных исследований является представление коэффициентов разложения в аналитической форме, что позволяет выделять особенности решения, связанные с условиями возникновения поверхностных волн. Это дает возможность создать программно-вычислительный комплекс, удовлетворяющий требованиям массовости, результативности и определенности.
Анализируется структура возбуждаемого поля в дальней зоне и дается представление для компонент векторной ДН в дальней зоне.
В третьем разделе рассматривается решение задачи о нахождении распределения тока в системе продольно ориентированных вибраторов, расположенных в магнитодиэлектрическом слое вблизи металлического цилиндра. В основу решения положен метод интегральных уравнений относительно неизвестного распределения тока в излучателе. В качестве ядра интегрального уравнения используется функция, описывающая поле вспомогательного диполя в ближней зоне (области диэлектрика). Для решения полученного интегрального уравнения неизвестное распределение тока в вибраторе аппроксимируется набором тригонометрических функций, ортогональных на интервале, совпадающем с вибратором, с неизвестными коэффициентами разложения. Применение процедуры Бубнова-Галеркина позволяет определить неизвестные коэффициенты разложения и тем самым завершить решение задачи.
Подробно рассмотрены вопросы вычисления несобственных интегралов, возникающих при определении коэффициентов взаимной связи между гармониками токов в излучателях.
Четвертый раздел диссертации посвящен численному моделированию и исследованию структуры и распределения полей в ближней и дальней зонах. Подробно рассмотрены структура и распределение полей на границе цилиндра, а также влияние на ДН продольного электрического вибратора геометрических и электродинамических параметров магнитодиэлектрического слоя.
Одним из основных вопросов в четвертом разделе диссертации является исследование поведения активной и реактивной составляющих входного сопротивления вибратора и взаимной связи двух вибраторов, размещенных в слое магнитодиэлектрика вблизи кругового металлического цилиндра.
Приводится возможный вариант построения цилиндрической антенны с магнитодиэлектрическим покрытием для базовых станций систем сотовой связи.
В Заключении формулируются основные результаты диссертационных исследований.
В Приложения вынесены подробности нахождения коэффициентов в представлении спектральных плотностей электродинамических потенциалов продольного вибратора в присутствии металлического кругового цилиндра со слоем магнитодиэлектрика, определение продольной компоненты напряженности электрического поля в слое магнитодиэлектрика, а также вопросы анализа поведения функций, описывающих поля вспомогательного диполя.
Анализ основных методов расчета цилиндрических антенн с диэлектрическими покрытиями
. В настоящее время существует достаточно большое число методов расчета характеристик излучения и согласования цилиндрических антенн [29-81]. Указанные методы позволяют с разной степенью строгости исследовать основные параметры АР и используются в силу этого на различных этапах разработки антенн. Такое разнообразие подходов и возможностей анализа основных закономерностей влияния цилиндрической конструкции на характеристики излучения и согласования антенн обуславливает соответственно и разную степень исследованности возникающих при этом эффектов.
Так, достаточно детально изучены характеристики круговых цилиндрических и кольцевых АР на основе модели бесконечной цилиндрической решетки с периодическим размещением излучателей вдоль образующей [35, 40]. В подобной модели исследуются свойства одного элемента, а сама задача решается подобно задаче о парциальном возбуждении антенной решетки. Однако этот подход, который можно использовать только при большом числе излучателей, теряет свою корректность для антенн с малым числом элементов в виду непериодичности поля АР при парциальных возбуждениях.
Другим приближенным методом является метод, связанный с представлением цилиндрической АР в виде кольцевой, где и образующая цилиндра и излучатели заменены на систему цилиндрических проводников с последующим решением задачи в тонкопроволочном приближении [38-40]. Анализ кольцевых АР как частного случая плоской двумерной решетки приведен в [34, 35, 39, 40]. В указанных работах изложены общая теория одно-кольцевых и многокольцевых АР, рассмотрены вопросы формирования направленных и изотропных ДН, снижения уровня боковых лепестков для системы изотропных и реальных излучателей. Однако использование подобной модели имеет ряд ограничений, связанных с диаметром кольца, справедливостью получаемых результатов только при большом числе излучателей.
Достаточно простым методом определения поля цилиндрической АР с идеализированным непрерывным распределением токов является приближение Гюйгенса-Кирхгофа или метод физической оптики [34, 35, 42] (метод наведенных токов). При таком подходе влияние проводящей поверхности может быть учтено при условии, что токи текут только по освещенной части поверхности и малы (близки к нулю) на теневой ее части. Наведенные электрические токи находятся из решения граничной задачи электродинамики. Приближенный характер решения определяется тем, что электрические токи находятся для предельного случая г/Л— оо, где г характерный размер антенны. Несмотря на то, что при использовании указанного метода нахождения ДН проводится с учетом конечных размеров антенны, данный подход при малых характерных размерах и числе излучателей дает значительные погрешности при проведении расчетов.
При использовании метода эквивалентного плоского раскрыва для определения ДН цилиндрическая АР заменяется плоским раскрывом путем параллельного переноса излучателей в направлении нормали на плоскость, перпендикулярную направлению главного максимума. Для учета формы реальной поверхности и ее отличия от плоской введены эквивалентные фазовые ошибки в плоском раскрыве, определяемые формой поверхности и направлением, в котором находится главный максимум ДН. Несмотря на то, что использование данного метода существенно упрощает анализ структуры излучаемого поля, пределы его применимости ограничены максимальной величиной допустимых фазовых ошибок.
В работах [32, 33, 46] рассмотрены приближенные методы многократного рассеяния и локально-периодической структуры для цилиндрических тел, на которых прорезаны решетки узких щелей. Поверхность цилиндра является идеально проводящей, а сечение представляет собой параболу. Метод многократного рассеяния аналогичен поэлементному подходу, в котором элементы матрицы определяются с использованием асимптотики для двумерной функции Грина. Однако подобная асимптотика справедлива при больших по сравнению с длиной волны радиусах кривизны поверхности.
Использованием подхода, позволяющего учитывать многократное рассеяние волн излучающими элементами АР, позволяет оценить АР на цилиндрических несущих конструкциях. Однако ему присущи те же недостатки, что и для метода, основанного на поэлементном рассмотрении излучателей в АР.
Метод локально-периодических структур основан на определении токов в излучающем раскрыве АР при возбуждении одного элемента, как токов ползущих волн, распространяющихся вдоль нагруженной цилиндрической поверхности [34, 35, 46]. При решении используются две модельные задачи. Решением первой из них является нахождение нагрузочных реактивностей, а другой - определение характеристик волн, распространяющихся вдоль нагруженной цилиндрической поверхности. В первой задаче рассматривается плоская АР с шагом, соответствующим локальным характеристикам цилиндрической АР, а во второй задаче - распространение волны вдоль кругового цилиндра с найденными периодическими нагрузками. Полученные значения напряжений в щелях используются для определения внешнего поля и поля в фидерных линиях излучателей. Однако эти методы разработаны только для двумерных задач, а численные результаты получены для узких бесконечных щелей [31, 32, 34].
Рассмотренные выше методы определения основных характеристик цилиндрических антенн относятся к приближенным методам расчета. Основной их недостаток заключается в том, что амплитудно-фазовое и поляризационное распределение возбуждающего тока задаются из интуитивных представлений, а затем с помощью приближенных выражений по заданному распределению находятся характеристики излучения и согласования.
Учет взаимодействия в цилиндрических АР является достаточно самостоятельной и сложной задачей, формальное решение которой, полученное в общем виде, требует существенных временных затрат, включая и большой объем вычислений. Последнее в значительной степени определяется сложностью нахождения коэффициентов взаимной связи в АР конечных размеров с определенным типом излучателей [31, 32, 35, 40, 70].
Распределение тока в вибраторе в присутствии цилиндра с диэлектрическим покрытием
Анализ выражения (3.5) показывает, что его непосредственное применение для построения численного алгоритма невозможно. Это обусловлено рядом причин. Во-первых, интегрирование по переменной h проводится в комплексной плоскости в бесконечных пределах и для получения однозначного и устойчивого решения необходимо исследование подынтегральной функции на предмет появления полюсов [47, 59, 75]. Во-вторых, при z = z и р- р\ ф — ф интеграл (3.5) становится расходящимся.
Множитель Д является двузначной аналитической функцией, вследствие чего, как показано в [47, 59, 75], необходимо провести преобразование контура интегрирования. Точки ветвления Д = ±кх обходятся по полуокружности бесконечно малого радиуса. При этом точка ветвления Д = -кх должна оказаться выше контура интегрирования, а точка ветвления Д = +, - ниже (рис.3.1). Указанное взаимное расположение точек ветвления и контура получается, если учесть наличие малых потерь в диэлектрике [47, 85]. С учетом результатов работ [47, 85] контур интегрирования может быть преобразован к виду, показанному на рис.3.2. Выполнение разрезов из точек ветвления связано с выбором определенного листа римановой поверхности [47, 85]. Для выделения возможных вычетов подынтегральной функции выполним, как предложено в [47, 85], дальнейшую деформацию контура. Последняя заключается в образовании замкнутого контура, состоящего из полуокружности большого радиуса CR, окружности бесконечно малого радиуса Cr, контура, охватывающего разрез Г и части действительной оси С, ограниченной полуокружностью CR (рис.3.2). Так как внутри замкнутого контура подынтегральные функции из (3.5), (3.6) однозначны, то по теореме Коши интеграл по замкнутому контуру равен сумме вычетов подынтегральной функции [85], следовательно, интеграл по замкнутому контуру можно записать в виде В формуле (3.7) Res(-) - вычеты подынтегрального множителя, определяемого выражением (3.6), взятые в полюсах; знак "-" поставлен из-за того, что интегрирование по замкнутому контуру производится в отрицательном направлении, т.е. область, ограниченная отрицательным направлением, находится справа при движении по контуру. Использование асимптотики функций Ганкеля при больших значениях аргумента позволяет показать, что интегралы по контуру CR равны нулю [36, 85]. Аналогично, с учетом асимптотики функций Ганкеля при малых значениях аргумента получим, что интеграл по контуру Сг также равен нулю. Таким образом, на основе аналитического продолжения функций Ганкеля [36, 86] В формуле (3.8) индекс «g» определяет номер полюса, в котором находится вычет функции JV() . Дальнейший анализ контура интегрирования позволяет разбить последний на два участка, проходящих либо по действительной ([&,0]) либо по мнимой ([0,—/оо)) осям [85]. Применение подстановок h = ka на первом участке и h = -ika на втором, как предлагается в [47, 48, 85], дает возможность записать интеграл в плоскости комплексной переменной h в виде суммы двух интегралов в действительной плоскости а: где f(h) - подынтегральная функция из (3.6). Соотношения (3.5)-(3.9) определяют формальное решение задачи о нахождении коэффициентов взаимной связи. Однако их использование при построении алгоритмов вычисления коэффициентов С , D%$ и F, , в рамках данных исследований встречает значительные трудности. Это, во-первых, связано с тем, что множитель /?, обуславливает медленную сходимость интеграла (3.5) на мнимой полуоси. Во-вторых, сходимость данного интеграла наблюдается только в частном случае выбора распределения тока вида sin[&( - z)], используемого в большинстве известных работ [47, 48, 70, 75]. Обе указанные особенности, возникающие из-за использования спектрального представления функции Грина, имеют место и в ряде других задач, в частности, при рассмотрении продольного вибратора вблизи идеально проводящего цилиндра [47, 85]. Однако, наличие диэлектрического покрытия приводит к появлению еще одной особенности, а именно - появлению полюсов множителя (3.6) подынтегральной функции (3.5). Проанализируем возможности учета указанных особенностей. Несложно заметить, что трудности вычисления интеграла (3.8) возникают при выполнении интегрирования следующего соотношения:
Анализ условий возникновения поверхностных волн на цилиндре с диэлектрическим покрытием
Как следует из приведенных зависимостей, использование магнитоди F(0,18O) электрического покрытия позволило снизить отношение — на ЮдБ и уменьшить уровень боковых лепестков на 2...6 дБ. Необходимо отметить, что размеры конструкции и число излучающих элементов выбирались исходя из характеристик направленности используемых в настоящее время антенн базовых станций. В то же время, как следует из материалов подраздела 4.3 (рис.4.12-4.16, табл.4.1), не составляет сложностей обеспечить согласование излучающих элементов с фидерным трактом. Таким образом, использование предлагаемых конструкций антенн дает возможность улучшить электромагнитную совместимость систем связи, а разработанный научно-методический аппарат - обеспечить корректный выбор параметров антенных устройств. методического аппарата исследования полей в ближней зоне, в частности, распределения плотности тока, позволили: подтвердить корректность созданного алгоритма расчета полей в области магнитодиэлектрика путем сравнения получаемых результатов с известными; исследовать влияние параметров магнитодиэлектрического покрытия на распределение компонент плотности тока на поверхности цилиндра; проанализировать соотношение амплитуд основной и кроссполяриза-ционной компонент плотности поверхностного тока. Подтвердить корректность разработанного алгоритма вычисления компонент секторной объемной диаграммы направленности на основе сравнения получаемых результатов с известными данными в случае цилиндра без покрытия; провести исследование изменения характера компонент ДН в зависимости от изменения параметров магнитодиэлектрического покрытия; оценить уровень кроссполяризационной компоненты в диаграмме направленности продольного вибратора, возникающей из-за наличия магнитодиэлектрического покрытия. использование магнитодиэлектрического покрытия с действительными значениями относительных диэлектрической и магнитной проницаемостями не приводит к значительному изменению активной составляющей входного сопротивления вибратора, а только его реактивной составляющей; наличие магнитодиэлектрического слоя приводит к изменению характера поведения азимутальной зависимости активной и реактивной составляющих взаимного сопротивления вибраторов. При этом разработанный алгоритм определения данных параметров дает возможность найти угловой разнос, при котором взаимным влиянием излучателей можно пренебречь, сохраняя достаточную для практических целей точность определения. Это позволит уменьшить объем вычислительных затрат при сохранении возможности анализа основных закономерностей. магнитодиэлектрическим покрытием), параметры которых выбраны на осно ве разработанного научно-методического аппарата, дает возможность сни зить на 2...10дБ уровень бокового и заднего излучения и тем самым улуч шить электромагнитную совместимость. Материалы, представленные в диссертационной работе, содержат решение научно-технических задач, отражающих ряд проблемных вопросов теории электродинамического анализа цилиндрических антенн продольных электрических вибраторов, расположенных в слое магнитодиэлектрика на идеально проводящем круговом цилиндре. Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. На основе использования метода интегральных уравнений сформулирована и решена задача возбуждения системы излучателей в слое магнитодиэлектрика на идеально проводящем круговом цилиндре, учитывающая многомодовый характер распределения полей и токов в ближней зоне. 2. На основе спектрального представления функции Грина решена задача о нахождении поля продольного электрического диполя, расположенного в слое магнитодиэлектрика на поверхности металлического кругового цилиндра. 3. Представлены в аналитической форме интегралы, описывающие коэффициенты взаимной связи и диаграммы направленности системы продольных вибраторов в слое магнитодиэлектрика на металлическом круговом цилиндре. 4. Разработан алгоритм и программно реализована методика электродинамического анализа системы продольных вибраторов в слое магнитодиэлектрика на металлическом круговом цилиндре. 5. Проведено комплексное исследование эффектов влияния параметров магнитодиэлектрического покрытия на распределение полей и токов как в слое магнитодиэлектрика, так и в свободном пространстве. 6. На основании решения задач электродинамического анализа антенн продольных вибраторов, расположенных в слое магнитодиэлектрика на металлическом цилиндре, подготовлен прототип системы автоматизированного проектирования цилиндрических антенн с диэлектрическими покрытиями. В части реализации и использования результатов исследований опубликовано 9 научных статей [94-102]; сделаны и получили одобрение специалистов 9 докладов [103-111]; основные научные и практические результаты диссертационной работы использованы в 3 отчетах о НИР [112-114]. Совокупность полученных результатов показывает, что решена актуальная научная задача, состоящая в разработке на основе спектрального представления функции Грина научно-методического аппарата электродинамического анализа антенн продольных вибраторов, расположенных в слое магнитодиэлек-трика на металлическом круговом цилиндре, допускающего построение эффективных алгоритмов численного расчета характеристик излучения и согласования. Применение созданного научно-методического аппарата позволяет разработать эффективные методики, алгоритмы и программные средства для электродинамического анализа антенн данного типа с учетом векторного характера и многомодового распределения полей и токов в ближней зоне. Это подтверждает, что поставленная в диссертационной работе цель достигнута. 3. Научные результаты и практические рекомендации, изложенные в дис сертационной работе, могут быть использованы при решении ряда вопросов электродинамического анализа антенных устройств радиотехнических систем базовых станций комплексов подвижной связи и систем радиомониторинга ок ружающего пространства.
Влияние магнитодиэлектрического слоя на входное сопротивление вибратора
Основой реализации четырех нижних уровней сети связи являются радиокомплексы, аппаратура которых используется для построения физического и канального уровней. При этом именно достоверность передачи элементарных сигналов, реализуемая на физическом уровне, в значительной степени определяет интегральные характеристики сети связи.
Таким образом, аппаратурой радиокомплексов на физическом уровне должны реализовываться следующие традиционные функции: установление и разъединение соединений; преобразование и передача сигналов по каналу связи, регистрация и поэлементная синхронизация единичных элементов.
Возникающие при этом вопросы достоверности передачи сообщений, связанные с влиянием радиопомех и состоянием радиоканала, освещены в большом числе работ, например, [16-22]. В то же время значительный рост числа радиосредств в условиях ограниченности естественных ресурсов, к которым относятся радиочастоты, время передачи сигнала и геостационарная орбита [1] требует исключения взаимных вредных помех при совместной работе различных радиосредств. Следовательно, неотъемлемой функцией в современных радиокомплексах, реализуемой на физическом уровне, является также обеспечение электромагнитной совместимости, достигаемой путем пространственной селекции сигналов от различных радиосредств. Однако данные вопросы, не получившие должного развития в теории радиосистем, могут быть рассмотрены, в первую очередь, только с позиций радиофизики.
При общих высоких темпах развития радиосистем различного назначения наиболее быстрый рост на территории РФ наблюдается в расширении сети сотовой связи. В связи с этим вопросы обеспечения ЭМС при появлении новых радиосредств наиболее актуальны именно для комплексов сотовой связи.
В сотовых системах подвижной радиосвязи в России и за рубежом освоены диапазоны частот 400.. .500МГц и 800.. .900МГц. Так, в США частоты, выделяемые для сотовых систем радиосвязи, находятся в двух полосах шириной по 20МГц каждая. При этом одна полоса (825,02...844,98МГц) выделена для передачи сигналов с подвижного объекта на базовую станцию, другая (870,03.. .889,98МГц) - для передачи сигналов в обратном направлении. В этих полосах обеспечиваются 666 дуплексных каналов шириной по ЗОКГц каждый. В табл. 1.1 приведены основные характеристики сотовых систем радиосвязи развитых государств Запада [11, 12]. Характерными особенностями анализируемых систем являются: зональное построение сетей; управление сетями с помощью компьютеров; автоматическое определение местоположения подвижного объекта; непрерывность связи при пересечении подвижным объектом границ зон; передача сигналов управления в дискретной форме; использование большого числа каналов и неограниченный доступ к абонентам как на обслуживаемой территории, так и с выходом на систему междугородной связи.
При выборе типа антенной системы и ее параметров необходимо учитывать особенности функционирования и управления работой радиокомплекса в целом. Рассмотрим эти вопросы на примере обслуживания территории, разбитой на соты, являющиеся одинаковыми правильными шестиугольниками (рис. 1.1). Базовые станции при этом устанавливаются в узлах ячеек (рис. 1.2). Для абонента, находящегося внутри одной из ячеек, организуется радиоканал с одной из базовых станций с использованием незанятой частоты, которая назначается коммутатором подвижной связи. При пересечении границы ячейки абоненту предоставляется другая свободная частота из группы частот, используемых в новой ячейке. Проблема межканальных помех решается как достаточным разносом базовых станций, так и выбором соответствующих мощностей передатчиков и параметров антенн (речь идет о работе на одинаковых или близких частотах).
Адаптация к увеличению числа абонентов достигается постепенным выделением дополнительных каналов по мере загрузки и уменьшением зоны обслуживания, т.е. изменением конфигурации сотовой сети, которая должна состоять из ячеек разного размера, определяемого плотностью подвижных объектов в данной зоне (рис. 1.3). В то же время при использовании всего частотного ресурса дальнейшее увеличение емкости сети связи может осуществляться путем выделения одинаковых или близких частот для абонентов, находящихся на значительном угловом разнесении. При этом исключение взаимного влияния сигналов для разных абонентов при работе на близких частотах достигается использованием направленных антенн с низким уровнем бокового излучения.
Таким образом, расширение функций современных и перспективных радиосредств может достигаться на основе использования антенн, обеспечивающих направленное излучение с предельно низким уровнем боковых лепестков.
