Введение к работе
Актуальность исследования определяется тем, что в связи с широкомасштабным развитием сверхширокополосных систем связи, радиолокации, зондирования сред все более разнообразятся и ужесточаются требования к таким характеристикам антенн, как полоса пропускания, эффективность излучения, усиление, наличие и стабильное положение фазового центра. В свою очередь миниатюризация антенн стала одним из самых насущных вопросов.
По мере уменьшения характерных электрических размеров антенны наблюдается довольно слабая зависимость ее характеристик направленности от частоты. Однако имеет место достаточно сильная частотная зависимость входного импеданса, препятствующая обеспечению качественного согласования антенны с питающим фидером в широкой полосе частот. Наиболее явственно эта проблема проявляется в области нижних частот, из-за возрастания запаса реактивной энергии в ближней зоне антенны. Поскольку реактивная энергия определяется разностью запасов магнитной и электрической энергий, то для ее уменьшения следует стремиться к выполнения условия баланса указанных энергий в требуемой полосе частот.
К настоящему времени предложены различные конструкции широкополосных излучающих систем, в определенной мере обеспечивающих сформулированное требование. Среди таковых можно отметить, например, спиральные антенны, биконические излучатели, снабженные шлейфами, и так называемые комбинированные антенны.
К комбинированным антеннам относят такие антенны, которые включают в свой состав достаточно чётко выделяемые излучатели электрического и магнитного типов. Своими названиями эти излучатели обязаны тому обстоятельству, что в ближней зоне у первых преобладает запас электрической энергии, а у вторых – запас магнитной энергии. Основополагающие принципы выравнивания запасов энергий в ряде оригинальных конструкций комбинированных антенн разработаны в работах, выполненных на кафедре радиофизики НИ ТГУ. Большой объем исследований различных антенн данного типа проведен в лаборатории высокочастотной электроники ИСЭ СО РАН, г. Томск.
Данная диссертационная работа направлена, во-первых, на разработку последовательной теории, объясняющей механизмы возникновения интерференционных потоков энергии в ближней зоне достаточно произвольной комбинированной излучающей системы (КИС). При этом исследованием охвачены как КИС, содержащие, по крайней мере, два излучателя электрического типа, так и КИС, включающие различные сочетания излучателей электрического и магнитного типов. Теория основывается на возможности представления возбуждаемого излучателями электромагнитного поля в виде мультипольного разложения, включающего поля электрического и магнитного типов [1*]. Она уточняет сложившуюся к настоящему времени совокупность представлений о ближнеполевой электродинамике процесса излучения сложных систем.
Во-вторых, на подробное исследование фундаментальной проблемы, касающейся минимально достижимого значения добротности излучения произвольной излучающей системы. Отличительной чертой диссертационного исследования является то, что в нем последовательно рассмотрено влияние интерференционных потоков энергии на добротность излучения идеальной антенны и произведено уточнение фундаментального предела Чу для ненаправленных антенн с одномодовым излучением.
В третьих, на демонстрацию возможности эффективного использования специфики формирования интерференционного потока энергии локализованной системы источников при решении задач зондирования сред.
Следует отметить, что итоги исследований за более чем 20-летний период развития теории и техники комбинированных излучающих систем не демонстрируют признаваемой всеми исследователями стройной системы представлений в данной области. В частности, результаты ряда работ приводят, например, к выводу о том, что теоретически не исключается возможность разработки излучающих систем с добротностью излучения равной нулю. Этот вывод вызвал множество критических возражений, в том числе и ведущих специалистов в рассматриваемой области [2*]. По этой причине создание высокоэффективных комбинированных излучающих систем вплоть до последнего времени подвергается сомнению со стороны ряда специалистов [3*].
Однако, в 2010 году американская фирма Dockon сообщила [4*] об успешном завершении трехгодичных поисковых работ по разработке новой технологии изготовления плоских комбинированных антенн, названной «Compound PхM Loop (CPL)». Утверждается, что технология содержит ряд ключевых компонент, которые позволили преодолеть существовавшие до этого барьеры на пути создания комбинированных антенн. Вместе с тем, представляемое фирмой конспективное теоретическое обоснование существа технологии вызывает целый ряд вопросов. Общим недостатком существующих подходов является игнорирование роли интерференционных потоков энергии в ближней зоне излучающей системы. В тоже время, проведенные нами исследования указывают на фундаментальное значение процессов переноса энергии в ближней зоне. В частности, управление параметрами интерференционных потоков энергии позволяет в широких пределах регулировать добротность излучения и тем самым решать проблему создания эффективных широкополосных излучающих систем.
Цель диссертационной работы. Выявление особенностей формирования поля излучения комбинированных излучающих систем на основе анализа взаимосвязи активных и реактивных компонент полей ближней зоны, а также возможностей использования этой взаимосвязи с целью уменьшения добротности излучения систем.
Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели в работе ставятся следующие задачи:
-
Исследование модельных задач об электродинамических процессах в ближней зоне ряда комбинированных излучающих систем и оценка на этой основе влияния распределения активных и реактивных компонент полей таких систем.
-
Анализ структуры интерференционных потоков энергии, образующихся за счет взаимосвязи активных и реактивных компонент полей в ближней зоне комбинированных излучающих систем, и поиск путей управления этими потоками.
-
Выявление закономерностей в формировании поля излучения таких систем и роли в них интерференционных потоков энергии с точки зрения уменьшения запаса реактивной энергии и снижения добротности излучения.
-
Исследование возможности получения более реалистичной оценки добротности излучения идеальной антенны в сравнении с известным фундаментальным пределом Чу.
-
Формулировка нового подхода к задачам зондирования проводящих сред с использованием интерференционных потоков энергии.
Методы исследования. Основываются на использовании строгих математических методов расчета электромагнитных полей заданных систем электрических и магнитных токов. Для представления полей в ближней и дальней зонах комбинированной излучающей системы используются мультипольные разложения. При расчете мощности излучения и диаграмм направленности таких систем применяется также метод электрических и магнитных векторных потенциалов. В процессе конструктивной проработки модели электрически малой антенны, содержащей петлевые спиральные излучающие элементы, применялись программные продукты 4NEC2 и CST Microwave Studio.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Действительный интерференционный поток энергии в ближней зоне комбинированной излучающей системы:
управляем изменением амплитудно-фазовых соотношений возбуждающих ее электрических и магнитных токов, что позволяет регулировать интегральные импедансные и направленные характеристики системы.
способствует увеличению ее мощности излучения вплоть до 65% по сравнению с суммарной мощностью отдельных излучателей, образующих комбинированную систему.
-
Корректная оценка предельно малой добротности идеального сферического излучателя, классически определяемая ранее фундаментальным пределом Чу , предусматривает поправку , учитывающую запас энергии внутри излучателя, где – электрический радиус излучателя.
Достоверность защищаемых положений и других результатов работы.
Выводы об условиях возникновения неизлучающего интерференционного потока энергии и его влиянии на добротность излучения и полосу согласования не противоречат современным фундаментальным представлениям о механизмах формирования таких потоков энергии [5*,6*].
Возможность уменьшения суммарного запаса реактивной энергии следует из фундаментальной теоремы Пойнтинга для комплексных амплитуд поля. А обеспечение этой возможности путем использования интерференции реактивных компонент полей ближней зоны излучателей электрического и магнитного типов следует из результатов аналитического и численного исследования. При этом расширение полосы пропускания КИС с сохранением её направленных свойств подтверждено, как численными расчетами с использованием хорошо апробированного пакета программ 4NEC2, так и экспериментальными результатами других авторов [7*].
Вытекающие из исследования интерференционных потоков энергии в ближней зоне комбинированной излучающей системы (глава 2) качественные выводы, количественные характеристики и научные рекомендации не противоречат уже имеющимся расчетным и экспериментальным результатам.
Достоверность полученных оценок для добротности излучения различных вариантов комбинированных излучающих систем (глава 3) подтверждена их полным согласием с известными оценками других авторов, полученными для частных случаев [2*].
Корректная оценка для минимального значения добротности излучения одномодовой идеальной антенны в виде сферического излучателя (глава 4) согласуется с имеющимися в литературе подобными оценками, полученными другими методами [2*].
Научная новизна заключается в следующем: автором впервые проведено последовательное рассмотрение влияния интерференционных потоков энергии как на мощность излучения КИС из неидентичных излучателей, так и на мощность излучения различных вариантов излучающих систем из идентичных излучателей. Установлено, что управляя начальными фазами токов можно добиться увеличения мощности излучения вплоть до 65% по отношению к суммарной мощности излучения уединенных излучателей, образующих систему.
Впервые исследовано влияние геометрической структуры КИС на ее добротность излучения. Показано, что уменьшить реактивную энергию КИС в ближней зоне, а, следовательно, расширить ее полосу согласования, можно путем управления начальными фазами и амплитудами токов, возбуждающих излучатели.
Методом, отличным от использованных ранее, получена уточненная оценка добротности излучения идеальной антенны в виде сферического излучателя [2*].
Впервые теоретически продемонстрирована возможность использования интерференционных потоков энергии, формируемых в ближней зоне КИС, для зондирования сферически симметричных проводящих сред.
Научная ценность защищаемых положений и других результатов работы заключается в следующем.
-
Получена более корректная оценка для добротности излучения сферической антенны. С учетом этой оценки значение добротности увеличивается на 26% по сравнению с добротность полученной ранее [2*].
-
Доказана существенность влияния интерференционного взаимодействия одноименных активных и реактивных компонент полей ближней зоны на добротность излучения, а следовательно и на полосу пропускания КИС с сохранением ее направленных свойств.
-
Показана принципиальная возможность и важность управления безызлучательным переносом энергии в области интерференции активных и реактивных компонент поля ближней зоны КИС.
Практическая значимость результатов работы:
– Выявленные, в процессе теоретических исследований, особенности формирования активных и реактивных интерференционных потоков энергии в ближней зоне КИС составляют основу для управления этими потоками в реальных конструкциях излучающих систем.
– Предложенная корректная оценка добротности излучения сферического излучателя является надежной основой для формулировки реалистичных требований к характеристикам вновь разрабатываемых малогабаритных антенн с широкой полосой пропускания.
– Продемонстрирована возможность использования интерференционных потоков энергии, формируемых в ближней зоне КИС, для зондирования сферически симметричных проводящих сред.
– Полученные физические закономерности легли в основу проекта, поддержанного региональным грантом РФФИ «Фундаментальные ограничения в ближнеполевой электродинамике сложных излучающих систем» № 13-02-98025, (2013-2015г.).
Внедрение результатов диссертационной работы.
Результаты были использованы при выполнении следующих проектов: АВЦП «Физико-математическая модель радиотомографа № 2.1.2/12874 (2009-2011 г.); ЕЗН «Фокусировка волновых проекций неоднородных сред в сверхширокополосной радиотомографии скрытых объектов» № 1.10.09* (2009-2011г.); ФЦП «Радиолокационная томография удаленных объектов за диэлектрическими преградами» № П452 (2009-2011г.); ФЦП «Исследование волновых процессов в неоднородных средах и создание основ радиовидения высокого разрешения с использованием метода синтезирования апертуры» № 14.740.11.0076 (2009-2011г.), региональный грант РФФИ «Фундаментальные ограничения в ближнеполевой электродинамике сложных излучающих систем» № 13-02-98025 (2013-2015г.). Результаты диссертационной работы целесообразно использовать в организациях, занимающихся применением широкополосных источников сигналов в системах радиосвязи и радиолокации, радиотомографии, в частности в Томском государственном университете, Саратовском государственном университете, в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, из них 9 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 11 публикаций в материалах международных, всероссийских и региональных научных конференций.
Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на пятнадцатой, шестнадцатой и семнадцатой Всероссийских научных конференциях студентов-физиков и молодых учёных – (Кемерово-Томск, 2009), (Волгоград, 2010), (Екатеринбург, 2011); на международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн ИРЭМВ2009» – (Таганрог, 2009); на шестой конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора – (Томск, 2009); на Всероссийских радиофизических научных чтениях – конференции памяти Н.А. Арманда, секция: «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике» – (Муром, 2010); на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по физике – (Владивосток, 2010); на третьей и четвертой Международных научно практических конференциях «Актуальные проблемы радиофизики» – (Томск, 2010, 2012); на шестой и седьмой Международных научно практических конференциях «Электронные средства и системы управления» – (Томск, 2010 и 2011); на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» – (Красноярск, 2011); на II Научно-практической конференции «Информационно-измерительная техника и технологии» – (Томск, 2011); на X Международной научно-практической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» – (Самара, 2011).
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, определении методов и подходов к их решению и анализе полученных результатов. Совместно с научным руководителем были разработаны конструкции макетов антенн и обсуждались идеи постановки и проведения экспериментальных исследований их характеристик.
Большая часть оригинальных научных результатов получены автором, как в части решения задач, так и в части анализа и обобщения решений. В частности, им проведено решение сформулированных теоретических задач, осуществлено их аналитическое исследование, проведен весь комплекс численных расчётов с использованием эффективных проблемно ориентированных пакетов программ 4NEC2 и CST Microwave Studio, проведен ряд экспериментов с различными макетами антенн, сформулированы выводы, обосновывающие достоверность решений, обсуждены с руководителем вытекающие из проведенных теоретических исследований физические результаты. Совместно с научным руководителем развиты и конкретизированы научные рекомендации, вытекающие из результатов диссертационного исследования.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, литературного обзора, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Общий объём диссертации 129 страниц машинописного текста, в том числе 41 рисунок, 11 страниц приложений и библиографический указатель из 89 наименований.
