авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Электродинамический анализ особенностей рассеяния электромагнитных волн крестообразными электрическими вибраторами

На правах рукописи

Стажарова Любовь Николаевна

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ

РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

КРЕСТООБРАЗНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ВИБРАТОРАМИ

01.04.03 — радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Ростов-на-Дону-2007

2

Работа выполнена на кафедре автоматики и телемеханики на железно дорожном транспорте Государственного образовательного учреждения высше го профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Габриэльян Дмитрий Давидович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Лерер Александр Михайлович, кандидат физико-математических наук, доцент Ячменов Алексей Александрович

Ведущая организация: ФГУП «ГКБ «Связь», г. Ростов-на-Дону.

Защита состоится « 4 » мая 2007 г. в 14 часов на заседании диссерта ционного совета Д.212.208.10 в Южном Федеральном университете по адресу:

344090, г. Ростов-на-Дону, ул. Зорге, 5, ЮФУ, физический факультет, ауд.247.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « » марта 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208. доктор физико-математических наук, профессор Г.Ф. Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Расширение круга задач, решаемых современной радио электроникой, значительное их усложнение стимулировало в последние деся тилетия интенсивное развитие теории излучающих структур, включая также теорию и технику антенн. Это связано с тем, что новые качественные характе ристики радиотехнических систем различного назначения в значительной сте пени определяются антенными устройствами. Так основные области использо вания радиоэлектроники в современных условиях и ближайшем будущем – связь, телевидение, радиолокация, радиоуправление, радионавигация, радиоас трономия, а также системы определения государственной принадлежности, ин струментальной посадки, радиоэлектронного противодействия и другие невоз можны без применения антенн с различными характеристиками.

Необходимость существенного улучшения параметров радиотехнических систем зачастую диктует требования к характеристикам антенн, невыполнимые при традиционном подходе к решению задач и их построении. В связи с этим возникает необходимость поиска новых путей создания антенны, обработки сигналов, применение антенной техники в различных радиоэлектронных сис темах, требующие принципиально новых идей.

Одной из важнейших проблем современной радиоэлектроники является обеспечение электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем. Наи более остро эта проблема стоит в системах радиосвязи, в том числе и телеком муникационных систем на подвижном составе, радионавигации, системах оп ределения государственной принадлежности, размещающихся в непосредст венной близости друг от друга или функционирующих в зонах с высокой плот ностью абонентов.

Расширение круга решаемых задач приводит к использованию в антен нах, как правило, сигналов круговой поляризации. Однако вопросы решения задач электромагнитной совместимости в случае антенн круговой поляризации не нашли своего полного отражения и анализа. Последнее связано с тем, что данные вопросы рассматриваются на основе упрощенных моделей. В частности вне рамок анализа остаются задачи рассеяния электромагнитных волн на излу чателях круговой поляризации. При этом существующие явления переотраже ния электромагнитных полей на элементах излучателя, расположенных в ближ ней зоне по отношению друг к другу, требуют строгих подходов, основанных на использовании и решении краевых задач электродинамики, связанных с ис пользованием метода интегральных уравнений, теории функций комплексного переменного.

Возникновение принципиально новых эффектов при рассеянии электро магнитных волн на излучателях круговой поляризации требует проведения большого объема исследования. В современных условиях, когда время на раз работку новых радиоэлектронных систем значительно сокращено, это невоз можно без широкого использования ЭВМ, в основе которого стоит создание соответствующих элементов САПР. В конечном итоге, все выше сказанное оп ределяет актуальность рассматриваемых вопросов и темы диссертации в це лом.

Данные элементы включают разработку адекватных реальным устройст вам математических моделей разного уровня сложности, численных методов решения краевых задач электродинамики, алгоритмов и программ решения систем интегральных уравнений.

Целью диссертации является исследование особенностей характеристик рассеяния электромагнитных полей антенной решеткой крестообразных элек трических вибраторов с сосредоточенными нагрузками и научно-обоснованный выбор нагрузок, обеспечивающий минимизацию мощности рассеянного элек тромагнитного поля при сохранении уровня принимаемого антенной мощности.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные задачи:

разработка электродинамической модели антенной решетки крестообраз ных электрических вибраторов с сосредоточенными нагрузками в приближении тонкопроволочного излучателя;



изучение взаимосвязи распределения тока и диаграммы рассеяния с па раметрами антенной решетки крестообразных вибраторов с сосредоточенными нагрузками;

научно-обоснованный выбор параметров антенной решетки для достиже ния заданных характеристик излучения и рассеяния электромагнитного поля, а также минимизации уровня рассеиваемой антенной поля при сохранении уров ня принимаемой антенной мощности;

исследование характеристик рассеяния данной антенны.

Научная новизна полученных в диссертации результатов определяет ся поставленными задачами, предложенными методами их решения и впервые полученными результатами:

Разработанной с использованием метода интегральных уравнений математиче ской моделью антенной рештки тонких крестообразных электрических вибра торов с сосредоточенными нагрузками, позволяющей при решении задач излу чения и рассеяния электромагнитных волн учитывать параметры излучающего раскрыва антенной решетки, в том числе величины и точки включения нагрузок в плечи вибраторов.

Исследованием особенностей взаимодействия токов в ортогональных плечах крестообразного электрического вибратора, заключающихся в наличии взаим ной связи между антисимметричными составляющими и отсутствии такой свя зи между симметричными или симметричными и несимметричными гармони ками в ортогональных плечах излучателя, а также физической и математиче ской интерпретацией данных особенностей на основе анализа полей элемен тарных излучателей и структуры матрицы коэффициентов взаимной связи.

Решением в замкнутой форме задачи условной минимизации мощности рассеянного электромагнитного поля находящимся в свободном пространстве крестообразным электрическим вибратором при сохранении уровня принимае мой мощности излучателем путем обоснованного выбора параметров нагрузок с учетом особенностей взаимодействия гармоник различного типа в ортого нальных плечах вибратора.

Выявленными основными закономерностями влияния параметров вклю чаемых нагрузок на характеристики рассеяния электромагнитных волн кресто образными электрическими вибраторами.

Результатами численных исследований влияния сосредоточенных нагру зок, включенных в разрывы плеч вибратора, на его диаграмму рассеяния.

Практическая значимость работы определяется, прежде всего, разрабо танными текстами программ электродинамического моделирования процессов излучения и рассеивания электромагнитных волн крестообразными электриче скими вибраторами с включенными нагрузками. Данные пакеты в качестве ядра включают программы электродинамического анализа крестообразных электри ческих вибраторов.

Созданный программный комплекс был, в частности, применен для ана лиза и оптимизации крестообразных электрических вибраторов с нагрузками, а также для исследования основных закономерностей и эффектов, связанных с наличием взаимной связи несимметричных гармоник в ортогональных плечах.

Полученные в диссертации результаты и разработанные пакеты программ могут быть непосредственно использованы в научно-исследовательских орга низациях и на предприятиях, занятых разработкой и производством радиотех нических систем различного назначения. Разработанные программы расчета характеристик излучения и рассеяния крестообразных электрических вибрато ров включены в систему электродинамического моделирования СВЧ устройств Государственного научного учреждения «научно-исследовательский институт «Специализированные вычислительные устройства защиты и автоматики» Ми нобразования России». Практическая значимость работы подтверждена актами внедрения. Кроме того, практическая значимость результатов состоит в сле дующем:





Разработан пакет прикладных программ, позволяющий исследовать рас пределение токов в плечах крестообразного вибратора, а также диаграмму из лучения и рассеяния при возбуждении антенной решетки совокупностью со средоточенных ЭДС или плоской электромагнитной волной с учетом парамет ров излучателя и включенных нагрузок.

Определены параметры сосредоточенных нагрузок, обеспечивающих достижение минимально возможного значения уровня рассеянного поля антен ной решетки крестообразных вибраторов.

Проведены исследования влияния параметров нагрузок на характер рас пределения токов в плечах вибраторов и диаграмму рассеяния излучателя при возбуждении плоской электромагнитной волной произвольной поляризации.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

Выявлен эффект взаимосвязи несимметричных по характеру распределе ния гармоник токов в ортогональных плечах вибратора. Так, возбуждение толь ко одного из плеч крестообразного электрического вибратора сосредоточенной ЭДС или плоской электромагнитной волной и появление в нм несимметрич ных гармоник, связанное с включением несимметричных нагрузок или падени ем электромагнитной волны не по нормали, приводит к возникновению несим метричных гармоник в ортогональном невозбужднном плече. Аналогичная взаимосвязь между симметричными, а также симметричными и несимметрич ными плечами не имеет места.

Полученные в аналитической форме зависимости между параметрами крестообразного электрического вибратора, в том числе и величинами вклю ченных в плечи нагрузок, и уровнем рассеиваемых данным излучателем потока мощности в заданном направлении и полной мощности, что позволяет обеспе чить улучшение электромагнитной совместимости антенн.

Полученное в замкнутой форме решение задачи выбора параметров на грузок, обеспечивающих минимизацию мощности рассеянного электромагнит ного поля крестообразным электрическим вибратором при сохранении уровня принимаемой мощности излучателем.

Результаты численных исследований распределений токов, диаграмм на правленности при рассеянии электромагнитных волн, формируемых системой крестообразных электрических вибраторов с включенными в плечи сосредото ченными нагрузками с произвольными параметрами.

Обоснованность и достоверность полученных в диссертации резуль татов определяется корректной постановкой решаемых задач, применением корректных физических и математических моделей, правильно отражающих физические процессы в рассматриваемых технических объектах, использовани ем эффективных вычислительных методов. Контроль достоверности результа тов осуществляется выполнением законов сохранения энергии, анализом схо димости результатов решения, контролем точности результатов, сравнитель ным анализом результатов, полученных различными методами.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссерта ции докладывались на следующих конференциях:

«Физика и технические приложения волновых процессов», III Междуна родная научно-техническая конференция - Волгоград. 2004.

Международная научная конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ – ИРЭМВ – 2005» – Таганрог. 2005.

Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России:

Третья Международная научно-практическая конференция «ТелеКомТранс 2005» – Сочи. 2005.

IV Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов» - Нижний Новгород. 2005.

Телекоммуникационные и информационные технологии на транспорте России:

Четвертая Международная научно-практическая конференция «ТелеКомТранс 2006» – Сочи. 2006.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 4 работы в реферируемых ведущих научных журналах, а так же в сборниках трудов и тезисов докладов на международных и всероссийских научно технических конференциях.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и двух приложений. Работа содержит 167 страниц машинописного текста, 31 рисунок и список использованных источников, включающий 119 на именований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулиро вана цель и определены методы исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения и выводы, выносимые на защиту, а также представлено краткое со держание работы.

В первом разделе проведен краткий обзор и анализ основных методов решения задач излучения и рассеяния электромагнитных волн линейными и крестообразными электрическими вибраторами с включенными в плечи на грузками произвольной величины. Отмечены достоинства и недостатки суще ствующих методов решения. Выполненный обзор показал, что в известных на данный момент подходах, опубликованных в ведущих отечественных и зару бежных изданиях, на данный момент отсутствуют в замкнутой аналитической форме решения задач синтеза комплексных нагрузок, позволяющие минимизи ровать уровень рассеянной мощности. Определены направления дальнейших исследований.

Во втором разделе решены задачи возбуждения антенной решетки кре стообразных электрических вибраторов совокупностью сторонних ЭДС или плоской электромагнитной волной произвольной поляризации.

Общая постановка задачи формулируется следующим образом. Имеется совокупность N симметричных крестообразных вибраторов, как показано на рисунке 1. Плечи излучателей попарно параллельны и ориентированы вдоль осей 0x и 0y в декартовой системе координат. Длина плеча каждого вибратора равна, а радиус - a. Центры вибраторов расположены в произвольных точках с координатами x n, y n, z n ( n 1,, N ). Область, в которой расположе ны вибраторы, имеет относительные диэлектрическую и магнитную про ницаемости проводимость, соответственно равные 0. В раз 1, 1, Рисунок рывы плеч включены сосредоточенные нагрузки W xp, W yp ( p 1,, P ), вели чины которых могут меняться. К выходу каждого вибратора может быть под ключена нагрузка величины W n ( n 1,, N ) или сосредоточенная ЭДС U n ( n 1,, N ), величина которой является различной для каждого из излучате лей. Возбуждение АР происходит в одном случае плоской электромагнитной волной, падающей с направления 0, 0, во втором случае – сосредоточенной ЭДС.

Основой решения данных задач является формулировка интегрального уравнения относительно неизвестных токов в плечах крестообразных электри ческих вибраторов. Данная система уравнений для случая возбуждения плоской электромагнитной волной имеет вид:

2 ' ' k G ( r, r '( x ' )) I x ( x ' ) ( y ' y n ) ( z ' z n ) d x ' x V ' ' G ( r, r '( x ' )) I y ( x ' ) ( x ' x n ) ( z ' z n ) d y ' xy V при 0 при x xp, cos cos 0, (1) E 0 fe x при E pn при x xp.

sin 2 ' ' k G ( r, r '( y ' )) I x ( y ' ) ( x ' x n ) ( z ' z n ) d y ' y V ' ' G ( r, r '( y ' )) I x ( x ' ) ( x ' x n ) ( z ' z n ) d x ' xy V при 0 при y yp, cos sin 0 (2) E 0 fe y при E pn при y yp.

cos где множитель fe учитывает наличие металлического экрана:

)].

fe 2 i sin( kz n cos ) exp[ ik ( x sin cos y sin sin z cos 0 0 0 0 При решении задачи возбуждения вибраторов совокупностью сосредоточенных ЭДС получаемая система уравнений отличается только правой частью.

Для получения системы интегральных уравнений использовался метод Бубнова-Галеркина, в котором в качестве весовых и базисных функций рас сматривалась полная система функций вида cos[ ( m ) / ] и 0. 5 )( n учитывающих в наиболее полной степени харак ) / ] ( x, y ), sin[ m ( n тер распределения токов в тонком вибраторе. Включенные в плечи нагрузки учитывались как внеинтегральные члены, входящие в уравнение.

Получаемая система алгебраических уравнений имеет матрицу, представ ляющую собой матрицу взаимных сопротивлений гармоник в плечах вибрато ров. Анализ особенностей данных коэффициентов показывает, что коэффици енты взаимной связи симметричных гармоник в ортогональных плечах равны нулю, в то время как соответствующие коэффициенты для антисимметричных гармоник отличны от нуля. Данная особенность может быть легко объяснена на основе анализа взаимодействия двух симметричных диполей в ортогональных плечах, ориентированных вдоль оси 0 x, токи в которых могут совпадать по на правлению (гармоники cos[ ( m 0. 5 ) / 2 ] ) или быть противоположны (гармо ники sin[ m / 2 ] ), как показано на рисунке 2.

а) б) в) г) Рисунок Рассмотрим поля, создаваемые этими диполями в двух симметричных точках, расположенных на оси 0 y. На рисунке 2 приведены следующие обо значения: E 1 A, E r 1 A - и r компоненты вектора напряженности электри ческого поля 1-го диполя Герца в точке A;

E 1 B, E r 1 B - и r компоненты вектора напряженности электрического поля 1-го диполя Герца в точке B;

и r компоненты вектора напряженности электрического по E 2A, Er2A ля 2-го диполя Герца в точке A;

E 2 B, E r 2 B - и r компоненты вектора на пряженности электрического поля 2-го диполя Герца в точке B;

E A, E rA - ре зультирующие и r компоненты вектора напряженности электрического поля в точке A;

E B, E rB - результирующие и r компоненты вектора на пряженности электрического поля в точке B;

E A, E B - результирующие векто ры напряженности электрического поля в точках A и B.

Полученные результаты показывают, что матрица взаимных сопротивле ний для одиночного вибратора в свободном пространстве имеет вид:

x Cx 0 0 x x 0 Gx 0 Py. (3) y 0 0 Cy y y 0 Px 0 Gy Анализ матрицы позволяет сделать вывод о том, что появление несим метричных гармоник в возбужденном плече приводит и к появлению несим метричных гармоник в перпендикулярном плече, которое может не возбуж даться. Данная ситуация имеет место при падении в плоскости x 0 z плоской электромагнитной волны, вектор напряженности которой лежит в той же плос кости. Подобный эффект присутствует и при падении плоской электромагнит ной волны в направлении нормали на вибратор с несимметричными плечами.

В одиночном излучателе, плечи которого ориентированы вдоль оси Oy, такое явление не возникает, т.к. при этом правая часть СЛАУ равна нулю. Ука занные особенности в распределении тока в плечах крестообразного вибратора, возбуждаемого плоской электромагнитной волной, являются принципиальными и отличают распределение тока в нем от распределения тока в крестообразном электрическом вибраторе, возбуждаемом сосредоточенной ЭДС.

В третьем разделе на основе полученной формы распределения токов в плечах крестообразного вибратора представлены соотношения, описывающие диаграмму направленности (ДН) как в режиме излучения, так и рассеяния элек тромагнитных волн, а также эквивалентной поверхности рассеивания. Указан ные соотношения для компоненты векторной ДН в окончательной форме име ют вид:

N n n n n F(, ) W0 cos cos Am x C m x Bmx S mx n1 mx n n n n, (4) cos sin Am C m Bm S m y y y yx my N n n n n F(, ) W0 sin Am x C m x Bmx S mx n1 mx n n n n, (5) cos Am C m Bm S m y y y yx my где C m n 2 i sin( kz n cos ) exp[ ik ( x n sin cos y n sin sin )] / (m 0.5 ) ' ]d ', cos exp[ ik ' sin cos / n Sm 2 i sin( kz n cos ) exp[ ik ( x n sin cos y n sin sin )] / m ' ]d '. ( ).

sin exp[ ik ' sin cos x, y / Выполненные далее в подразделе расчеты показали, что использование метода Бубнова-Галеркина при решении интегрального уравнения в задаче воз буждения крестообразного электрического вибратора с нагрузками обеспечива ет внутреннюю сходимость результатов и любую заданную точность определе ния как распределения токов в плечах вибратора, так и входного сопротивления вибратора.

Полученное решение задачи возбуждения АР крестообразных электриче ских вибраторов позволило выполнить большой объем численных исследова ний влияния параметров нагрузок на распределение токов в плечах крестооб разного электрического вибратора и оценить возникающие эффекты, связанные с возбуждением токов в ортогональных плечах. Результаты исследований для случая падения электромагнитной волны в плоскости хОz под углом 0 30, на крестообразный вибратор с длиной плеча l 0.75 при включении нагрузки W приведены на рисунке 3. Кривые 1 на рисунке 3,б соответствуют случаю расположения индуктивных нагрузок в области ( l, 0 ), а емкостных – в области ( 0, l ), кривые 2 – обратному включению.

Как следует из приведенных результатов, отличие направления прихода электромагнитной волны для крестообразного волнового вибратора без нагру зок приводит к принципиальному изменению характера распределения тока в x -плече вибратора (рисунок 3,а) по сравнению со случаем падения волны по нормали. Распределение тока приобретает характер, свойственный распределе нию тока в паре полуволновых вибраторов, возбуждаемых со сдвигом фаз. При этом наблюдается значительный рост амплитуды тока в y -плече, величина ко торой превышает амплитуду тока в x -плече крестообразного вибратора а) W 0 Ом б) W 100 i Ом Рисунок В четвертом разделе на основе разрабо танных математических моделей рассмотрено изменение диаграммы рассеяния, связанное с включением сосредоточенных нагрузок в плечи крестообразного вибратора. Решение сформули рованной задачи проведем для случая системы крестообразных электрических вибраторов в свободном пространстве. В основу решения по ложим условие баланса мощностей – теорему Умова-Пойнтинга.

Охватим антенну, возбуждаемую плоской электромагнитной волной, приходящей с неко торого заданного углами 0, 0 направления, сферой S R бесконечно большого радиуса, как Рисунок показано на рисунке 4. Отсчет углов приведен на рисунке 1.

Запишем теорему Умова-Пойнтинга в виде:

. (6) Pст (, ) r ds SR В соотношении (6) Pст - мощность стороннего источника;

(, ) - плот ность потока мощности через поверхность S R.

Учитывая взаимосвязь между векторами напряженности электрического и магнитного полей в дальней зоне, а также их представление через токи в пле чах крестообразного вибратора сформулированный критерий условной мини мизации мощности рассеиваемых электромагнитных волн в математической форме может быть представлен следующим образом:

E0 W0 Т Т (7) (W ) R xx g Q, в котором - неопределенный множитель Лагранжа;

g - мощность принимае W мого сигнала;

вектор, матрица Q, матрица X, LZ 0 W Т Т.

R xx L X, X, L L X, X, L d Решение задачи условной минимизации мощности рассеяния антенной решетки определяется в виде:

1. (8) R xx Q Необходимо отметить, что поскольку (W ) представляет собой квадратичную форму относительно вектора нагрузок W, проверки выполнения достаточных условий не требуется.

Из формулы (8) видно, что является собственным вектором матрицы R xx Q, соответствующим собственному значению. При этом минимизация мощности рассеяния соответствует выбору наименьшего собственного значе ния min. После определения соответствующего собственного вектора min значения нагрузок, обеспечивающих минимум мощности рассеиваемого поля, находятся из решения системы уравнений min. (9) X 0, 0 L Z С использованием полученных соотно шений были проведены исследования по вы бору оптимальных нагрузок, обеспечивающих минимум мощности рассеянного поля при со хранении уровня принимаемого сигнала. Рас сматривался крестообразный электрический вибратор с длиной плеча / 0.75. Вибра тор возбуждался плоской электромагнитной волной, приходящей в плоскости x0z, под уг лом 0 30. Анализировалось поведение функции Pст / P рас в зависимости от вели- Рисунок чины включенной нагрузки W. Во всех случаях пара одинаковых нагрузок включалась на расстоянии 0.25 от центра x плеча.

Распределение функции Pст / P рас, приведенное на рисунке 5, имеет максимальные значения при параметрах нагрузки, совпадающих с полученны ми на основе соотношения (9).

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полу ченные в диссертации, намечены перспективы дальнейших исследований.

В двух приложениях подробно изложены математические преобразования, ис пользованные для решения задачи о возбуждении АР крестообразных электри ческих вибраторов совокупностью сосредоточенных ЭДС или плоской элек тромагнитной волной и разработки математической модели такой антенны.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Разработана электродинамическая модель антенной решетки крестооб разных вибраторов с сосредоточенными нагрузками. Для построения данной модели использовался метод интегральных уравнений, позволяющий решить данную задачу с включенными как в плечи, так и ко входам вибраторов, на грузками произвольной величины. Решение получено для случаев возбуждения вибраторов плоской электромагнитной волной или сосредоточенной ЭДС. При этом ядро интегрального уравнения в обеих задачах имеет один и тот же вид, а различие заключается в форме представления правой части.

2. Исследованы особенности взаимодействия гармоник в ортогональных плечах крестообразного электрического вибратора, заключающиеся в наличии взаимной связи между антисимметричными гармониками и отсутствии такой связи между симметричными или симметричными и несимметричными гармо никами в ортогональных плечах излучателя. В основу данного результата по ложено физическое представление поля электрического диполя и особенности взаимодействия гармоник тока в плечах крестообразного электрического виб ратора.

3. Изучена взаимосвязь распределения тока и диаграммы рассеяния с па раметрами антенной решетки крестообразных вибраторов с сосредоточенными нагрузками. На основе найденного с учетом параметров включенных сосредо точенных нагрузок распределения токов в плечах крестообразных электриче ских вибраторов получены аналитические выражения, описывающие компо ненты векторной диаграммы направленности как в режиме излучения, так и рассеяния.

4. Оценены эффекты, связанные с особенностями возбуждения крестооб разного вибратора. В частности, показано, что в случае вибратора с длиной плеча / 0.25 даже в отсутствии нагрузок в плечах закон распределения то ка в режимах излучения и рассеяния имеет полимодальный характер. Кроме то го, анализ полученных результатов позволил отметить, что подключение боль ших нагрузок в возбуждаемое плече крестообразного вибратора эквивалентно появлению разрывов в данном плече. В этом случае излучатель представляет собой суперпозицию нескольких вибраторов, каждый из которых находится в режиме короткого замыкания. На основе проведенных исследований показано, что в режиме холостого хода распределение тока в обоих плечах крестообраз ного вибратора имеет такой характер, как если бы на зажимах вибратора ток был равен нулю. Это связано с тем, что падение напряжения в точке питания вибратора должно иметь конечную величину, что в данном режиме связано с равенством нулю тока в точке питания. В связи с выше сказанным исходный вибратор можно рассматривать как суперпозицию двух вибраторов.

5. На основе учета особенностей рассеяния электромагнитных волн кре стообразным электрическим вибратором решена задача достижения заданных характеристик излучения и рассеяния электромагнитного поля, а также мини мизации уровня рассеиваемой антенной поля. Так появление антисимметрич ных гармоник в ортогональном плече при возбуждении только одного из плеч приводит к изменению диаграммы направленности рассеянного поля крестооб разного вибратора по сравнению с диаграммой направленности линейного виб ратора. Данные изменения проявляются в появлении -компоненты в диа грамме рассеяния, изменении структуры -компоненты диаграммы рассеянии, а также в изменении одно- и двухпозиционной эквивалентной поверхности рас сеяния. При этом выполненный анализ возбуждаемых несимметричных гармо ник в ортогональном плече крестообразного электрического вибратора позво ляет указать направления, в которых изменения ДН по сравнению со случаем линейного вибратора будут наиболее существенными.

Решение данной задачи дает возможность определять направления, в ко торых электромагнитная совместимость антенн будет наилучшей.

6. Решена задача о минимизации мощности рассеяния электромагнитного поля крестообразным электрическим вибратором при сохранении уровня при нимаемой мощности. Данная задача сформулирована в виде задачи отыскания условного экстремума, и решении задачи о возбуждении крестообразного элек трического вибратора, которая по своей сути определяет максимальное значе ние отношения мощности принимаемого сигнала к мощности рассеиваемого поля. Решение указной задачи получено в виде аналитических соотношений.

7. Выполнен значительный объем исследований характеристик излучения и рассеяния электромагнитных волн антенной решеткой крестообразных элек трических вибраторов с включенными сосредоточенными нагрузками. При этом показано, что при падении волны не по нормали распределение тока в возбуждаемом плече является несимметричным, а в ортогональном плече ток имеет антисимметричный характер. Кроме того, амплитуды токов в возбуж даемом и невозбуждаемом плечах могут быть соизмеримы по амплитуде.

Включение нагрузок в возбуждаемое плечо вибратора приводит к усложнению характера распределения. Изменения формы диаграммы рассеяния крестооб разного вибратора по сравнению с линейным излучателем обусловлены поля ми, возбуждаемыми токами y -плеча. С учетом полученного распределения то ков в y -плече и выражений, определяющих вклад этих составляющих в диа грамму рассеяния, можно определить направления, в которых изменения диа граммы рассеяния будут максимальными. Так, например, для вибратора с дли ной плеча l 0. 5, максимальные изменения компоненты диаграммы рас сеяния, соответствующие антисимметричному распределению тока в y -плече, для направления 90 наблюдаются в секторе углов [ 45,..., 50 ]. Для компоненты диаграммы рассеяния соответствующие изменения имеют ме сто в плоскости 90 в секторе углов [80,..., 100 ] и симметричном ему секторе [ 260,..., 280 ].

Личный вклад соискателя. Принимал личное участие в постановке и решении задачи возбуждения антенной решетки крестообразных электрических вибраторов сосредоточенными ЭДС и плоской электромагнитной волной, ре шении задачи минимизации мощности рассеянного крестообразными вибрато рами поля. Кроме того, лично разработал программы расчета характеристик из лучения и рассеяния рассматриваемых антенн и провел численные эксперимен ты.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Стажарова Л.Н. Исследование эффективной поверхности рассеяния 1.

крестообразного электрического вибратора / В сб. тр. III междунар. НТК «Физика и техн. прилож. волновых процессов», Волгоград, 6-12 сентября, 2004г., Россия. С.318.

Стажарова Л.Н. Динамическая диаграмма направленности систем кре 2.

стообразных электрических вибраторов / В Междунар. межвуз. сб. научн.

тр. – Ростов-на-Дону: Рост. гос. ун-т путей сообщ., 2004, с.128-137.

Габриэльян Д.Д., Стажарова Л.Н. Влияние нагрузок на распределение 3.

токов в крестообразном вибраторе / Тр. Межд. научн.-практ. конф. «Те лекомТранс-2005», Сочи, Россия, С.214-217.

Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Звездина Ю.А., Стажарова Л.Н. Осо 4.

бенности расчета антенн перспективных спутниковых систем связи / Тр.

Межд. научн.-практ. конф. «Телеком-2005», Ростов-на-Дону, Россия, 18 19 мая 2005, С.68-72.

Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Звездина Ю.А., Стажарова Л.Н. При 5.

менение пространственно-поляризационной обработки сигналов в антен ных системах спутниковой связи / Тр. Межд. научн.-практ. конф. «Теле ком-2005», Ростов-на-Дону, Россия, 18-19 мая 2005, С.72-76.

Габриэльян Д.Д., Звездина Ю.А., Лабунько О.С., Стажарова Л.Н. Осо 6.

бенности рассеяния электромагнитных волн крестообразным электриче ским вибратором. // Электромагнитные волны и электронные системы. 2005. Т.10. №5. - С.14-16.

Габриэльян Д.Д., Звездина М.Ю., Стажарова Л.Н. Распределение токов в 7.

крестообразном вибраторе с нагрузками, возбуждаемом плоской элек тромагнитной волной / Тр. Междунар. НТК «Излуч. и рассеян. ЭМВ ИРЭМВ-2005», Таганрог, Россия, 20-25 июня 2005г. - С.85-88.

Стажарова Л.Н. Особенности рассеяния электромагнитных волн кресто 8.

образным электрическим вибратором / В сб. тр. IV междунар. НТК «Фи зика и техн. прилож. волновых процессов», Нижний Новгород, 3-9 октяб ря, 2005г., Россия, С.205.

9. Габриэльян Д.Д., Стажарова Л.Н. Минимизация мощности рассеяния электромагнитной волны крестообразным электрическим вибратором // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2005. - №4. - С. 52-55.

10.Габриэльян Д.Д., Звездина Ю.А., Стажарова Л.Н. Рассеяние электромаг нитных волн крестообразным вибратором / Мат. 2-й Междунар. НПК «Актуальные проблемы развития ж/д транспорта», 2005 Самара. – Сама раСАМГАПС, 2006. с.189.

11.Габриэльян Д.Д., Звездина Ю.А., Стажарова Л.Н. Динамическая диа грамма направленности системы вибраторных излучателей при использо вании алгоритмов «сверхразрешения» / Мат. 2-й Междунар. НПК «Акту альные проблемы развития ж/д транспорта», 2005 Самара. – Самара САМГАПС, 2006. с.187.

12.Габриэльян Д.Д., Кальченко О.В., Кульбикаян Б.Х., Стажарова Л.Н. Син тез диаграммы направленности с учетом особенностей рассеяние на не сущей конструкции / Тр. Межд. научн.-практ. конф. «ТелекомТранс 2006», Сочи, Россия, С.17.

13.Габриэльян Д.Д., Герасимов Н.И., Стажарова Л.Н. Возможность управ ления диаграммой направленности сложного излучателя, образованного тремя взаимно ортогональными вибраторами / Тр. Межд. научн.-практ.

конф. «ТелекомТранс-2006», Сочи, Россия, С.16.

14. Габриэльян Д.Д., Кульбикаян Б.Х., Стажарова Л.Н., Сухопаров П.Е. Ци линдрические антенны произвольного сечения в радиоэлектронных сис темах железнодорожного транспорта / Тр. Межд. научн.-практ. конф.

«ТелекомТранс-2006», Сочи, Россия, С.15.

15.Стажарова Л.Н. Взаимодействие несимметричных гармоник в крестооб разном электрическом вибраторе// Вестник Ростовского государственно го университета путей сообщения. - 2006. - №2- С. 79-83.

Стажарова Любовь Николаевна ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ РАССЕЯНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН КРЕСТООБРАЗНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ВИБРАТОРАМИ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Подписано в печать 27.03.2007. Формат 60х84/16.

Бумага офсетная. Ризография. Усл. печ. л. 1,4.

Уч.-изд. л. 1,42. Тираж 100 экз. Заказ № Ростовский государственный университет путей сообщения.

Ризография РГУПС.

Адрес университета: 344038, г. Ростов н/Д, пл. Ростовского Стрелкового Полка Народного Ополчения,

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.