ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СФЕРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРНЫХ АНТЕНН МАЛЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Заключение
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Заключение
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Актуальность темы. В современных радиотехнических системах наблюдаются тенденции к миниатюризации устройств. Это связано с прогрессом в области мобильных средств связи и возрастающим проникновением телекоммуникационных устройств в повседневную жизнь общества. В связи с этим актуальной задачей является улучшение массогабаритных характеристик элементов и узлов радиоаппаратуры. Эти же проблемы возникают и при создании антенн для летательных аппаратов, в том числе и беспилотных, технологии производства которых бурно развиваются в последнее время. В этом случае выдвигаются также жесткие требования к аэродинамическим характеристикам антенн.
Совершенствование элементной базы в последние десятилетия привело к уменьшению габаритов радиоэлектронных устройств и увеличению плотности компонентов внутри них. Однако это касается в основном узлов радиоаппаратуры, размеры которых мало зависят от рабочей частоты.
Наиболее сложно подвергаются миниатюризации антенны и устройства СВЧ, так как их размеры определяются рабочей длиной волны. Так, при уменьшении электрических размеров антенн неизбежно возникает вопрос об эффективности излучения и согласовании с линией питания, что не позволяет добиться высокого КПД для подобных излучателей в частотной полосе их использования, поскольку существует связь между размерами антенны и её предельной добротностью (предел Чу-Харрингтона). Одной из причин низкой эффективности электрически малых антенн является запасенная в ближней зоне реактивная энергия, доля которой увеличивается с уменьшением размеров излучателя.
Как показывает анализ публикаций, прогресс в области создания антенн малых электрических размеров связывают с применением новых технологий и материалов. Особое внимание уделяется использованию нового типа материалов - метаматериалов (МТМ). Метаматериалы - это композитные структуры, которые обладают уникальными свойствами - отрицательными значениями диэлектрической и (или) магнитной проницаемости. Использование МТМ позволяет компенсировать реактивную энергию, запасенную в ближней зоне антенн и получить излучатели, характеристики которых превосходят фундаментальный предел Чу-Харрингтона. В связи с этим количество работ по вопросам использования метаматериалов в антенной технике постоянно растет. Предлагаются всё новые конструктивные решения, позволяющие улучшить характеристики метаматериальных сред и антенн, их содержащих. Уже появились первые промышленные образцы антенн мобильных устройств, использующих МТМ в конструкции.
С практической точки зрения важным вопросом также является применение в антеннах укрытий, в том числе многослойных. С одной стороны они могут использоваться в качестве обтекателей или защитных покрытий, предотвращающих негативное воздействие окружающей среды (температурное, механическое и т.д.), что имеет большую актуальность, так как антенны, как правило, устанавливаются вне помещений или на поверхности движущихся объектов. С другой стороны, так как укрытия располагаются в непосредственной близости от излучающих элементов, они могут быть использованы для оптимизации параметров антенн.
Цель диссертации. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик сферической резонаторно-щелевой антенны и её модификаций, оценка возможности получения на их базе антенны малых электрических размеров в частности при применении в конструкции антенны метаматериалов.
Объект исследования. Сферическая резонаторно-щелевая антенна и её модификации - полусферическая антенна, сферическая антенна с двумя кольцевыми щелями и сферическая антенна с многослойной оболочкой из различных материалов.
Задачи исследования. В рамках диссертационной работы было необходимо решить следующие задачи:
1. На основании известной модели излучателя, предложенной Стреттоном и Чу и уточненной автором, получить полное решение как внешней, так и внутренней электродинамической задачи для сферической антенны.
2. Установить механизм трансформации возбуждающего тока из точек питания антенны через резонатор и излучающую щель на поверхности сферы во внешнее пространство.
3. Используя аппарат тензорных функций Грина получить решение антенной задачи с учетом многослойного укрытия.
4. Получить расчетные формулы и численные результаты для электрических характеристик сферической антенны и её модификаций.
5. Исследовать методы уменьшения электрических размеров сферической антенны с условием сохранения эффективности излучения, в том числе при использовании в конструкции метаматериалов.
6. Создать макет антенны и исследовать его характеристики.
Методы исследования. Для определения характеристик антенны использовались следующие методы и методики:
• Метод частичных областей - эквивалентных токов;
• Метод электромагнитного возбуждения частичных областей, основанный на использовании тензорных функций Грина;
• Использование универсальных представлений функции Грина для областей радиальной и сферической конфигурации, на которые разбивается конструкция антенны.
• Длинноволновая и коротковолновая асимптотики специальных функций, применяемых для описания поля внутри резонатора и во внешней области, в частности, асимптотика функций Бесселя-Риккати.
Научная новизна. Получено полное решение антенной задачи, включающее возбуждение и излучение. При определении внешних характеристик, связанных с излучением, существенно расширено решение, полученное Стреттоном и Чу и другими авторами, в части учета реактивной энергии, определяющей резонансные и широкополосные свойства антенны. Решение учитывает ширину щели и её положение и справедливо не только для кольцевой щели на сфере, но и для ряда модификаций данной конструкции - кольцевой щели на полусфере над экраном, двух кольцевых щелях на сфере
Впервые получены характеристики излучения кольцевой щели на сфере с учетом многослойной структуры во внешней области, при этом использовалось универсальное представление функций Грина, справедливое для любого числа слоев. Для упрощения записи решения и экономии машинного времени использованы комбинации сферических функций Бесселя-Риккати 2-х переменных, которые имеют хорошую сходимость и асимптотику.
Решения универсальны в части применения как обыкновенных диэлектриков, так и метаматериалов, обладающих отрицательными значениями диэлектрической и (или) магнитной проницаемостей.
Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность и обоснованность результатов работы определяется: использованием при решении строгих методов, частичным совпадением результатов с ранее опубликованными, сравнением с результатами эксперимента и моделирования в среде Анзой НБЗЗ.
Практическая значимость диссертационной работы. На основании строгого решения электродинамической задачи составлена методика определения полевых и импедансных характеристик малогабаритной сферической резонаторно-щелевой антенны, которая является комбинированным устройством, объединяющим в себе линию питания, резонатор и излучающую часть - кольцевую щель на поверхности сферы, укрытой многослойной структурой. Основная задача - уменьшение размеров достигается несколькими способами: заполнением резонатора диэлектриком, использованием многослойной диэлектрической оболочки, использованием в конструкции метаматериалов, а также комбинацией указанных выше методов.
Реализация и внедрение результатов.
Полученные при выполнении диссертационной работы результаты используются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах ОАО «УПП «Вектор», ООО «Институт информационных датчиков и технологий», а также в учебном процессе кафедры «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Электродинамическая модель антенны, содержащая линию питания, резонатор, излучающую щель на проводящей сфере или полусфере над экраном, в том числе с многослойным укрытием, учитывающая ширину щели и её положение на сфере.
2. Интегральные уравнения, позволяющие определить эквивалентные характеристики устройства: собственное сопротивление штыря, коэффициент трансформации между штырем и щелью, внутреннюю и внешнюю проводимость кольцевой щели с учетом многослойного укрытия, полученные на основе использования условий непрерывности векторов электромагнитного поля.
3. Решение интегральных уравнений с использованием вариационного метода, позволившее получить численные результаты для характеристик резонаторно-щелевой антенны и её модификаций, подтвержденные при проведении экспериментального исследования макета антенны
4. Методика уменьшения электрических размеров антенны с использованием в конструкции диэлектриков и метаматериалов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия - 2004» (г. Екатеринбург, 2004); VII и IX Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2008; г. Челябинск, 2010); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2009» в рамках 6го Международного форума «СВЯЗЬ- ПРОМЭКСПО 2009» (г. Екатеринбург, 2009); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2010» в рамках 7го Международного форума «СВЯЗЬ- ПРОМЭКСПО 2010» (г. Екатеринбург, 2010); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2011» в рамках 8го Международного форума «СВЯЗЬ- ПРОМЭКСПО 2011» - работа отмечена золотой медалью (г. Екатеринбург, 2011); Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2011); Международной конференции 3rd European Conference on Antennas and Propagation - EuCAP 2009 (г. Берлин, Германия); Международной конференции 5rd European Conference on Antennas and Propagation - EuCAP 2011 (г. Рим, Италия).
Публикации.
По материалам диссертационной работы имеется 11 публикаций, в том числе: 2 статьи в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 публикации в сборниках трудов зарубежных конференций.
Структура и содержание диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 85 наименований, содержит 125 страниц текста и 80 рисунков.
Совершенствование элементной базы в последние десятилетия привело к уменьшению габаритов радиоэлектронных устройств и увеличению плотности компонентов внутри них. Однако это касается в основном узлов радиоаппаратуры, размеры которых мало зависят от рабочей частоты.
Наиболее сложно подвергаются миниатюризации антенны и устройства СВЧ, так как их размеры определяются рабочей длиной волны. Так, при уменьшении электрических размеров антенн неизбежно возникает вопрос об эффективности излучения и согласовании с линией питания, что не позволяет добиться высокого КПД для подобных излучателей в частотной полосе их использования, поскольку существует связь между размерами антенны и её предельной добротностью (предел Чу-Харрингтона). Одной из причин низкой эффективности электрически малых антенн является запасенная в ближней зоне реактивная энергия, доля которой увеличивается с уменьшением размеров излучателя.
Как показывает анализ публикаций, прогресс в области создания антенн малых электрических размеров связывают с применением новых технологий и материалов. Особое внимание уделяется использованию нового типа материалов - метаматериалов (МТМ). Метаматериалы - это композитные структуры, которые обладают уникальными свойствами - отрицательными значениями диэлектрической и (или) магнитной проницаемости. Использование МТМ позволяет компенсировать реактивную энергию, запасенную в ближней зоне антенн и получить излучатели, характеристики которых превосходят фундаментальный предел Чу-Харрингтона. В связи с этим количество работ по вопросам использования метаматериалов в антенной технике постоянно растет. Предлагаются всё новые конструктивные решения, позволяющие улучшить характеристики метаматериальных сред и антенн, их содержащих. Уже появились первые промышленные образцы антенн мобильных устройств, использующих МТМ в конструкции.
С практической точки зрения важным вопросом также является применение в антеннах укрытий, в том числе многослойных. С одной стороны они могут использоваться в качестве обтекателей или защитных покрытий, предотвращающих негативное воздействие окружающей среды (температурное, механическое и т.д.), что имеет большую актуальность, так как антенны, как правило, устанавливаются вне помещений или на поверхности движущихся объектов. С другой стороны, так как укрытия располагаются в непосредственной близости от излучающих элементов, они могут быть использованы для оптимизации параметров антенн.
Цель диссертации. Теоретическое и экспериментальное исследование характеристик сферической резонаторно-щелевой антенны и её модификаций, оценка возможности получения на их базе антенны малых электрических размеров в частности при применении в конструкции антенны метаматериалов.
Объект исследования. Сферическая резонаторно-щелевая антенна и её модификации - полусферическая антенна, сферическая антенна с двумя кольцевыми щелями и сферическая антенна с многослойной оболочкой из различных материалов.
Задачи исследования. В рамках диссертационной работы было необходимо решить следующие задачи:
1. На основании известной модели излучателя, предложенной Стреттоном и Чу и уточненной автором, получить полное решение как внешней, так и внутренней электродинамической задачи для сферической антенны.
2. Установить механизм трансформации возбуждающего тока из точек питания антенны через резонатор и излучающую щель на поверхности сферы во внешнее пространство.
3. Используя аппарат тензорных функций Грина получить решение антенной задачи с учетом многослойного укрытия.
4. Получить расчетные формулы и численные результаты для электрических характеристик сферической антенны и её модификаций.
5. Исследовать методы уменьшения электрических размеров сферической антенны с условием сохранения эффективности излучения, в том числе при использовании в конструкции метаматериалов.
6. Создать макет антенны и исследовать его характеристики.
Методы исследования. Для определения характеристик антенны использовались следующие методы и методики:
• Метод частичных областей - эквивалентных токов;
• Метод электромагнитного возбуждения частичных областей, основанный на использовании тензорных функций Грина;
• Использование универсальных представлений функции Грина для областей радиальной и сферической конфигурации, на которые разбивается конструкция антенны.
• Длинноволновая и коротковолновая асимптотики специальных функций, применяемых для описания поля внутри резонатора и во внешней области, в частности, асимптотика функций Бесселя-Риккати.
Научная новизна. Получено полное решение антенной задачи, включающее возбуждение и излучение. При определении внешних характеристик, связанных с излучением, существенно расширено решение, полученное Стреттоном и Чу и другими авторами, в части учета реактивной энергии, определяющей резонансные и широкополосные свойства антенны. Решение учитывает ширину щели и её положение и справедливо не только для кольцевой щели на сфере, но и для ряда модификаций данной конструкции - кольцевой щели на полусфере над экраном, двух кольцевых щелях на сфере
Впервые получены характеристики излучения кольцевой щели на сфере с учетом многослойной структуры во внешней области, при этом использовалось универсальное представление функций Грина, справедливое для любого числа слоев. Для упрощения записи решения и экономии машинного времени использованы комбинации сферических функций Бесселя-Риккати 2-х переменных, которые имеют хорошую сходимость и асимптотику.
Решения универсальны в части применения как обыкновенных диэлектриков, так и метаматериалов, обладающих отрицательными значениями диэлектрической и (или) магнитной проницаемостей.
Обоснованность и достоверность результатов. Достоверность и обоснованность результатов работы определяется: использованием при решении строгих методов, частичным совпадением результатов с ранее опубликованными, сравнением с результатами эксперимента и моделирования в среде Анзой НБЗЗ.
Практическая значимость диссертационной работы. На основании строгого решения электродинамической задачи составлена методика определения полевых и импедансных характеристик малогабаритной сферической резонаторно-щелевой антенны, которая является комбинированным устройством, объединяющим в себе линию питания, резонатор и излучающую часть - кольцевую щель на поверхности сферы, укрытой многослойной структурой. Основная задача - уменьшение размеров достигается несколькими способами: заполнением резонатора диэлектриком, использованием многослойной диэлектрической оболочки, использованием в конструкции метаматериалов, а также комбинацией указанных выше методов.
Реализация и внедрение результатов.
Полученные при выполнении диссертационной работы результаты используются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах ОАО «УПП «Вектор», ООО «Институт информационных датчиков и технологий», а также в учебном процессе кафедры «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения» ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Электродинамическая модель антенны, содержащая линию питания, резонатор, излучающую щель на проводящей сфере или полусфере над экраном, в том числе с многослойным укрытием, учитывающая ширину щели и её положение на сфере.
2. Интегральные уравнения, позволяющие определить эквивалентные характеристики устройства: собственное сопротивление штыря, коэффициент трансформации между штырем и щелью, внутреннюю и внешнюю проводимость кольцевой щели с учетом многослойного укрытия, полученные на основе использования условий непрерывности векторов электромагнитного поля.
3. Решение интегральных уравнений с использованием вариационного метода, позволившее получить численные результаты для характеристик резонаторно-щелевой антенны и её модификаций, подтвержденные при проведении экспериментального исследования макета антенны
4. Методика уменьшения электрических размеров антенны с использованием в конструкции диэлектриков и метаматериалов.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия - 2004» (г. Екатеринбург, 2004); VII и IX Международных научно-технических конференциях «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2008; г. Челябинск, 2010); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2009» в рамках 6го Международного форума «СВЯЗЬ- ПРОМЭКСПО 2009» (г. Екатеринбург, 2009); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2010» в рамках 7го Международного форума «СВЯЗЬ- ПРОМЭКСПО 2010» (г. Екатеринбург, 2010); Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2011» в рамках 8го Международного форума «СВЯЗЬ- ПРОМЭКСПО 2011» - работа отмечена золотой медалью (г. Екатеринбург, 2011); Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2011); Международной конференции 3rd European Conference on Antennas and Propagation - EuCAP 2009 (г. Берлин, Германия); Международной конференции 5rd European Conference on Antennas and Propagation - EuCAP 2011 (г. Рим, Италия).
Публикации.
По материалам диссертационной работы имеется 11 публикаций, в том числе: 2 статьи в научно-технических изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 2 публикации в сборниках трудов зарубежных конференций.
Структура и содержание диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 85 наименований, содержит 125 страниц текста и 80 рисунков.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе:
1. Разработана методика решения задачи об излучении кольцевой щели на сфере, учитывающая положение щели и её ширину. Использование при решении аппарата тензорных функций Грина позволило получить результаты для ряда модификаций данной конструкции - кольцевой щели на полусфере над экраном, двух кольцевых щелях на сфере и сфер с укрытием, содержащим произвольное количество слоев.
2. Получено решение внутренней задачи для сферической антенны. Определены импедансные характеристики устройства возбуждения, состоящего из линии питания, радиального резонатора и возбуждающей щели. Установлены пути минимизации электрических размеров излучателя при контроле степени согласования с линией питания и полосы рабочих частот.
3. Получены численные результаты расчета характеристик сферических антенн различной конфигурации. Исследована возможность использования диэлектриков в конструкции антенны с целью уменьшения электрических размеров излучателя и улучшения согласования с линией питания.
4. Исследованы возможности применения метаматериалов для оптимизации характеристик излучателя. Определены типы и параметры метаматериалов, позволяющие добиться наиболее существенного улучшения характеристик антенны.
5. Предложена конфигурация полусферической антенны над экраном с трехслойной (диэлектрик - метаматериал - диэлектрик) оболочкой, позволяющая добиться согласования антенны с линией питания при радиусе полусферы a =0,02À.
1. Разработана методика решения задачи об излучении кольцевой щели на сфере, учитывающая положение щели и её ширину. Использование при решении аппарата тензорных функций Грина позволило получить результаты для ряда модификаций данной конструкции - кольцевой щели на полусфере над экраном, двух кольцевых щелях на сфере и сфер с укрытием, содержащим произвольное количество слоев.
2. Получено решение внутренней задачи для сферической антенны. Определены импедансные характеристики устройства возбуждения, состоящего из линии питания, радиального резонатора и возбуждающей щели. Установлены пути минимизации электрических размеров излучателя при контроле степени согласования с линией питания и полосы рабочих частот.
3. Получены численные результаты расчета характеристик сферических антенн различной конфигурации. Исследована возможность использования диэлектриков в конструкции антенны с целью уменьшения электрических размеров излучателя и улучшения согласования с линией питания.
4. Исследованы возможности применения метаматериалов для оптимизации характеристик излучателя. Определены типы и параметры метаматериалов, позволяющие добиться наиболее существенного улучшения характеристик антенны.
5. Предложена конфигурация полусферической антенны над экраном с трехслойной (диэлектрик - метаматериал - диэлектрик) оболочкой, позволяющая добиться согласования антенны с линией питания при радиусе полусферы a =0,02À.