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

Дифракция электромагнитных волн на неоднородных сферических телах

На правах рукописи

Гизатуллин Марат Галимянович ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН НА НЕОДНОРОДНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ТЕЛАХ Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2008 1

Работа выполнена на кафедре «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения» Государственного образовательного учреждения высшего про фессионального образования «Уральский государственный технический уни верситет – УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатерин бург).

Научный руководитель заслуженный деятель науки Российской – Федерации, доктор технических наук, профессор Панченко Борис Алексеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белов Юрий Георгиевич, кандидат технических наук Титаренко Алексей Александрович.

Ведущая организация Открытое акционерное общество «Ураль – ское проектно-конструкторское бюро «Деталь», г. Каменск-Уральский.

Защита состоится 18 февраля 2009 г. в 15.00 часов на заседании диссерта ционного совета Д 212.165.01 при Нижегородском государственном техниче ском университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. К. Минина, д. 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.

Автореферат разослан января 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.В. Назаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Электромагнитная теория является одной из основ электроники, радиолокации и связи. В связи с тенденциями перехода в область терагерцового и оптического диапазонов волн, электродинамические методы расчета устройств в области электроники, радиолокации и связи приобретают дополнительное применение.

Рациональные методы решения электродинамических задач, дополнитель ные возможности вычислительной техники, появление новых высокотехноло гичных материалов расширило область их применения и стимулировало к но вому решению ряда классических задач электромагнитной дифракции и возбу ждения. К таким задачам относится классическая задача дифракции электро магнитных волн на сферических телах. Дополнительно к имеющимся исследо ваниям и публикациям [1]-[3], получены новые результаты, которые, во первых, потребовались для практических применений, во-вторых, расширили перечень данных, полученных ранее.

Некоторые актуальные направления задач дифракции на сферических те лах, разработанные в диссертационной работе:

1 Результаты по дифракции электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах. Учитываются омические потери в металлических и диэлектрических элементах структур, устанавливается распределение токов на поверхности проводящих сфер, более тщательно исследованы фазовые харак теристики полей, получены дополнительные результаты по рассеянию элек тромагнитных волн круговой поляризации падающего поля для гладких и мно гослойных сферических структур.

2 Исследуются полевые и мощностные характеристики рассеяния и по глощения тел с однослойным и многослойным укрытием, ставятся цели сниже ния эффективной площади рассеяния (ЭПР), использования сферических тел для калибровки и определения характеристик рассеяния реальных целей.

3 Рассматриваются новые материалы, как традиционные диэлектрики с экстремально низкими и экстремально высокими коэффициентами поглощения, так и принципиально новые материалы – метаматериалы.

4 В связи с широким распространением персональных средств связи, ис следуется актуальная задача рассеяния и поглощения электромагнитных волн моделью частей тела, в частности, моделью головы человека – пользователя мобильным средством связи.

Цель диссертации – на базе использования тензорных функций Грина по строить универсальный аппарат решения векторных задач электромагнитного возбуждения и дифракции для неоднородных сферических тел.

Расширить возможности расчета электромагнитных полей для любых по добластей сферических структур с учетом омических потерь.

Использование современных материалов, включая метаматериалы для ре шения актуальных задач СВЧ техники.

Исследование механизма и получение численных результатов, характери зующих взаимное влияние антенны мобильного средства связи и модели голо вы пользователя.

Объект исследования. Объектами исследования являются: металлические и диэлектрические сферы с учетом проводимости, омических потерь в материа лах;

металлические тела с защитными покрытиями;

структуры, содержащие ме таматериалы;

модель, имитирующая голову человека – пользователя мобиль ным средством связи.

Методы исследования. Строгое электродинамическое решение задач ди фракции, получение численных результатов с использованием разработанных подпрограмм расчета последовательности сферических функций Бесселя от комплексного аргумента.

Научная новизна.

1 Построен универсальный аппарат решения векторных задач электро магнитной дифракции на неоднородных сферических телах.

2 Использование ориентированных токов, напряжений, импедансов и адмитансов создало возможность универсальной и компактной записи реше ния в виде цепных дробей.

3 Предложенная запись тензоров Грина в замкнутой форме позволяет ана лизировать поля в любом слое структуры и за ее пределами.

4 Использование новых защитных материалов и метаматериалов позво лило определить дополнительные возможности рассеяния и поглощения электромагнитных волн.





5 Построена и исследована электрофизическая модель головы человека – пользователя мобильным средством связи при дифракции электромагнитных волн сотовых диапазонов связи (для выделенных диапазонов частот).

6 Решена электродинамическая задача возбуждения модели головы поль зователя антенной мобильного средства связи.

7 Проведен расчет искажений антенных характеристик аппарата связи в выделенных диапазонах частот в присутствии модели.

8 Проведен расчет параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи в модели. В том числе коэффициента по глощения всей моделью.

9 Разработан эффективный алгоритм расчета последовательности функ ций Бесселя, Неймана и Ганкеля полуцелого порядка от комплексных ампли туд в широких пределах изменений индексов функций и значений аргумента.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко мендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается строгой поста новкой решения электродинамической задачи дифракции. Для проверки пра вильности аналитического и численного решения используется частичная про верка результатов.

Практическая значимость диссертационной работы.

Рассеяние на сферических телах одна из немногих трехмерных задач, ко торая допускает строгое решение и в этом плане сфера может быть использова на для калибровки эффективной площади рассеяния сложных объектов.

Для теоретических и модельных задач дифракции получены обширные численные результаты, которые позволяют, в частности, выявить дополни тельные возможности по снижению или увеличению эффективной площади рассеяния в интересах решения задач радиопротиводействия и радиомаски ровки.

По результатам исследования дифракции на модели головы человека сделаны выводы о влиянии положения антенны и рабочей частоты на эффект поглощения и изменения характеристик антенны.

Реализация и внедрение результатов. Материалы диссертационной ра боты используются в ряде профильных организаций Уральского региона. В частности результаты используются в научно-исследовательских и опытно конструкторских работах отдела Открытого акционерного общества «Опытного конструкторского бюро «Новатор».

Полученные результаты используются при чтении курса «Направляющие системы электросвязи» на кафедре «Многоканальная электрическая связь»;

«Безопасность жизнедеятельности», «Электромагнитные поля и волны» на ка федре «Общепрофессиональные дисциплины технических специальностей» УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ»;

«Структура и организация линий связи» на кафедре «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения», результаты исследований переданы на кафедру «Безопасность жизнедеятельности» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Материалы диссертационной работы вошли в монографии: «Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах» – Екате ринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. – 88 с;

«Рассеяние и поглоще ние электромагнитных волн слоистыми структурами»: Монография. – Екате ринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. – 117 с.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертацион ной работы докладывались и обсуждались на: Десятой Всероссийской студен ческой научно-технической Интернет-конференции «Информационные техно логии и электроника» и Девятой отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» (г. Екатеринбург, 2005 г.);

Международной научно практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» (г. Екатеринбург, 2006 г.);

Международной конференции The First European Conference on Antennas and Propagation (г. Ницца, Франция, 2006 г.);

Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2007» (г. Екатеринбург, 2007 г.);

Второй Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2007» (г. Каменск Уральский, 2007 г.);

Международной конференции The Second European Con ference on Antennas and Propagation (г. Эдинбург, Великобритания, 2007 г.);

Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2008» в рамках 5-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2008» (г. Екате ринбург, 2008 г.);



Международной конференции Metamaterials (г. Памплона, Испания, 2008 г.).

По результатам диссертационной работы имеются 16 публикаций, в том числе: 2 статьи в научно-технических журналах, включенные в список ВАК РФ, две монографии.

Положения, выносимые на защиту:

1 Универсальный метод решения векторных волновых уравнений в виде тензорных функций Грина для многослойных сферических областей при ис пользовании ориентированных токов, напряжений, импедансов и адмитансов для сокращения записи формального решения задачи со многими подобластями и последующей алгоритмизацией численных процедур.

2 Новые результаты характеристик рассеяния и поглощения для проводя щих и диэлектрических сфер.

3 Рекомендации по снижению или увеличению эффективной площади рас сеяния тел с многослойными укрытиями. Численный синтез характеристик ук рытий по заданным критериям рассеяния.

4 Выявлены дополнительные возможности рассеяния электромагнитных волн на телах из метаматериалов.

5 Электрофизическая модель головы человека (для выделенных диапазо нов частот).

6 Численные результаты, выводы по рассеянию и характеристикам погло щения электромагнитных волн моделью головы человека.

7 Решение электродинамической задачи возбуждения модели головы чело века антенной мобильного средства связи. Результаты расчета искажений ан тенных характеристик аппарата связи в присутствия модели.

8 Численные результаты расчета параметров поглощения электромагнит ной мощности, излучаемой антенной аппарата связи в модели.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шес ти глав, заключения, списка работ, опубликованных по теме диссертации, спи ска литературы и приложений. Объем диссертации составляет 124 страницы основного текста, содержит 152 рисунка, 7 таблиц, 6 страниц списка литерату ры (69 наименований), 8 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, определена научная новизна и практическая ценность полученных результатов, обоснована их дос товерность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, да ется краткое содержание диссертационной работы, приведен анализ отечест венной и зарубежной литературы, посвященной теме диссертационной работы.

В первой главе диссертационной работы описана методика получения характеристик рассеяния сферических тел. Производится преобразование общих представлений тензоров Грина при возбуждении удаленными поперечными источниками. Записываются поперечные части тензоров Грина.

Определяется поляризация электромагнитного поля. Выделяется рассеянная часть поля. Записываются электромагнитные поля во внешней области.

Приводятся квадратичные (энергетические) характеристики при дифракции, оптическая теорема и вектор Пойнтинга для расчета потерь.

Во второй главе диссертационной работы рассмотрены основные вопро сы, связанные с дифракцией электромагнитных волн на проводящих сферах [4].

Получены дополнительные сведения о дифракционных характеристиках металлических сфер. В частности, получены данные о дифракции на сферах с высокой проводимостью, определена мутация фазового центра при рассеянии.

Описаны и исследованы рассеивающие свойства объекта, а также электро магнитное рассеянное поле во внешней области.

Произведен расчет рассеянного поля в обратном и попутном направлени ях.

Определены потери энергии на образование кроссполяризационной со ставляющей в конусе углов с граничным значением 0 для нескольких значений радиуса сферы для случая линейной и круговой поляризации падающего поля.

Определены, полный коэффициент рассеяния металлической сферы, пар циальные коэффициенты рассеяния для случая линейной и круговой поляриза ции падающего поля.

Определена плотность электрического тока на поверхности идеально про водящей сферы.

Рассчитаны распределения амплитуды и фазы токов в меридиональной и азимутальной плоскостях, приведены зависимости суммарных амплитуд токов от угла для нескольких значений радиуса сферы для случая линейной и кру говой поляризации падающего поля.

Определен коэффициент полезного действия рассеянного поля по основ ной составляющей в конусе углов с граничным значением 0.

Результаты расчетов рассеянного поля, записанные в базовой сферической системе координат, получены с использованием разработанных подпрограмм расчета последовательности сферических функций Бесселя, Неймана, Ганкеля и полиномов Лежандра.

Характеристические части функции Грина записываются для структуры, граница которой определяется радиусом сферы a.

Приведены диаграммы рассеяния для нескольких значений a.

Дополнительно приведены формулы для расчета рассеянного поля в об ратном ( = 0 ) и попутном ( = ) направлениях:

S (0) S ( 0 ) ( 2n + 1)( 1) ( M Nn ), = = n n k0 a k0 a 2k 0 a n = S ( ) S ( ) ( 2n + 1)( M + Nn ).

= = (1) n k0 a k0 a 2k0 a n = Для определения поля по основной (оп) и кроссполяризационной (кп) со ставляющим необходимо перейти к альтернативной сферической системе коор динат. Диаграммы рассеяния для оп и кп определяются формулами:

n [ n M n n N n ] cos cos 2 + [ n M n n N n ] sin 2, Fоп (, ) = 1 ( sin cos ) 2 s k0 a n = sin cos n [ n M n n N n ] [ n M n n N n ] cos Fкп (, ) = 1 ( sin cos ) 2. (2) s k0 a n = Для любого угла и k0 a поле кп в обратном направлении отсутствует. Со ставляющие поля кп отсутствуют также в главных плоскостях ( = 0, = 900 ).

Для поля в «попутном» направлении в диагональной плоскости ( = 450 ) амплитуды составляющих оп и кп одинаковы и определяются выражением:

s s ( 2n + 1)( M + Nn ).

Fоп, = Fкп, = (3) n 4 4 2k 0 a n = Рисунок 1 – Потери энергии на обра- Рисунок 2 – То же, что на рисунке зование кп кп (k0 a) : 1 – кп ( 0.5 ) ;

2 – (круговая поляризация падающего поля) кп ( 1.0 ) ;

3 – кп ( 3.0 ) ;

4 – кп ( 5.0 ) (ли нейная поляризация падающего поля) Определен коэффициент рассеяния металлической сферы, раздельный вклад в коэффициент рассеяния частей мощности, связанных с -й и -й со ставляющими рассеянного поля:

( 2n + 1) s = M n + Nn 2, ( k0 a ) n = 2n + n ( n + 1) ( 2n 1) M n + ( 2n + 1) N n = = 2, ( k0 a ) n = 2n + n ( n + 1) ( 2n 1) N n + ( 2n + 1) M n = = 2. (4) ( k0 a ) n = Для падающего поля круговой поляризации, в качестве поля (оп), условно принято поле правого вращения, поле (кп) – левого вращения.

Радиолокационный коэффициент рассеяния ( = 0, = 0 ):

( 2n + 1)( 1) [ M Nn ].

( 0,0 ) = r = n (5) ( k0 a ) n n = Коэффициент рассеяния в «попутном» направлении ( =, = 0 ):

+ Nn ].

(, 0 ) = ( 2n + 1)[ M (6) ( k0 a ) n n = Приведены частотные графики коэффициентов рассеяния ( 0,0 ), (, 0 ).

Рисунок 3: 1 – s, 2 –, 3 – Рисунок 4: 1 – s, 2 – кп = лв, 3 – оп = пв (точками на кривой 1 отмечено сум мирование + ) Плотность электрического тока на поверхности идеально проводящей сфе ры радиуса a определена напряженностью магнитного поля по правилу J ( a ) = a r H ( a ). Определены составляющие электрического тока на поверхности сферы для линейной вертикальной и круговой поляризации падающего поля.

Рассматриваются электрические характеристики малых сферических тел для линейной поляризации падающего поля [5], [6]. Магнитное поле определе но вблизи поверхности металлической сферы, учтена дифрагированная часть поля и напряженность поля падающей волны.

При рассмотрении дифракции поля круговой поляризации на малых сфе рах, поле падающей волны имеет правое направление вращения вектора напря женности электрического поля.

Рассмотрено рассеяние на сферах из материала с конечной проводимостью g. Определены ориентированные нормированные импедансы и адмитансы для расчета рассеянного поля. Для малых размеров сферы получена приближенная формула для коэффициента рассеяния:

( k0 a ) + 108 k a 2 ( k0 a ).

( k0 a ) 36 ( k0 a ) (0) s 4 (7) 240 2 ga 240 ga Положение виртуального центра сферической волны, рассеянной сферой, определяет фазовый центр [7]. Это положение определяется фазовой характе ристикой рассеянного поля. Смещение фазового центра относительно геомет рического центра сферического рассеивателя зависит от электрических разме ров сферы и направления, вдоль которого определяется рассеянное поле E s (, ), поляризации падающей волны. Определена координата фазового цен тра. Если = i, = i и поляризация линейная ( j = j a ) – имеет место моноста тический случай, при котором фазовый центр волны правого вращения практи чески совпадает с геометрическим центром сферы. Приведено перемещение положения фазового центра в зависимости от угла наблюдения в горизон тальной и вертикальной плоскостях. Для кп составляющей (левое вращение) фазовый центр совпадает с геометрическим центром для попутного направле ния.

В третьей главе диссертационной работы рассмотрены основные вопро сы, связанные с дифракцией электромагнитных волн на диэлектрических сфе рах. Получены дополнительные сведения о дифракционных характеристиках диэлектрических сфер. В частности, приведены частотные зависимости поля в центре сферы от электрического радиуса для нескольких диэлектриков без по терь. Для произвольных размеров диэлектрической сферы численные результа ты для поля внутри тела получены для материалов, свойства которых соответ ствуют воде в световом и сантиметровом диапазонах волн [4]. Определены и исследованы в световом диапазоне волн металлические шары, которые могут быть отнесены к диэлектрикам с большими потерями [2], [4].

Электромагнитное поле существует в двух областях – внешней и внутри диэлектрического тела (радиус – a, относительная диэлектрическая проницае мость – ' ). Определены напряженность электрического поля во внутренней области ( 0 r a ) при линейной поляризации падающего поля, также для ди фрагированного поля круговой поляризации;

нормированные направленные импедансы и адмитансы для диэлектрической сферы. Наличие границы раздела между внутренней и внешней областями позволяет рассматривать сферу как диэлектрический резонатор.

На рисунке 5 приведены частотные зависимости поля в центре сферы (0) от электрического радиуса для нескольких диэлектриков без потерь (ли E нейная поляризация падающего поля).

Рисунок 5: E (0) : 1 – ' = 1.33, 2 – ' = 2.5, 3 – ' = 3.8, 4 – ' = Таблица 1 – Данные о свойствах водяных капель Коэффициент преломления n = ' Максимальное значение k0 a Диапазон волн Световой 5. 1. 3.41 i 1. 0 = 3 мм 3. 8.18 i 1. 0 = 30 мм 1. 8.9 i 0. 0 = 100 мм 0. Получены частотные графики зависимости поля в центре диэлектрическо го шара для трех, отмеченных в таблице 1 поддиапазонов СМ волн.

Распределение компонентов поля вдоль радиальной координаты – E (r ), E ( r ), рассчитаны для частотных поддиапазонов таблицы 1 для двух фиксиро ванных значений k0 a, находящихся вблизи резонансов и соответствующих ре альным размерам водяных капель.

Для определения общих потерь в структуре используют оптическую тео рему, для определения потерь в слоях используют запись тензоров Грина для отдельных областей.

Для падающей волны линейной поляризации, рассеянные поля определены для поддиапазонов радиочастот, приведенных в таблице 1. Расчетные формулы:

S ( ) n [ n ( ) M n n ( ) N n ], Fs ( ) = = k0 a k0 a n = S ( ) n [ n ( ) M n n ( ) N n ].

Fs ( ) = = (8) k0 a k0 a n = Для сравнения получены данные и для рассеянных полей водяной капли в световом диапазоне.

При облучении капли полем круговой поляризации, падающая волна рас щепляется на две составляющие с противоположными направлениями враще ния векторов поля:

n n ( ) n ( ) [ M n + N n ], Fпв ( ) = s k0 a n = n n ( ) + n ( ) [ M n N n ].

Fлв ( ) = s (9) k0 a n = Приведены частотные графики коэффициентов: рассеяния s, поглощения a и экстинкции t = s + a для обозначенных в таблице 1 поддиапазонов волн.

В качестве материала металлических шаров в световом диапазоне волн выбрано железо. Результаты, могут быть получены для шаров из других метал лов, например, золота.

В четвертой главе диссертационной работы рассмотрены основные во просы, связанные с дифракцией электромагнитных волн на сфере, содержащей материалы с отрицательным коэффициентом рефракции.

Основные успехи в области материаловедения связаны с созданием и ис пользованием принципиально новых материалов – «метаматериалами» (MTM) [8]-[11]. За новыми материалами закрепилось несколько названий: «Left-handed materials» (LHM), материалы «Double negative media» (DNGM). Традиционные магнитодиэлектрики иногда называют «Right-handed materials» (RHM).

В частности, рассмотрена задача дифракции волн линейной и круговой по ляризации падающего поля. Приводятся численные результаты рассеянного по ля от сферы в дальней зоне, для материала с отрицательным коэффициентом рефракции для нескольких значений радиуса сферы;

частотные графики коэф фициентов рассеяния для линейной и круговой поляризации падающего поля, частотные графики коэффициента рассеяния для нескольких толщин обкладки.

Полученные результаты для характеристик рассеяния и поглощения электромагнитных волн на сферах из искусственного материала с отрицательным коэффициентом рефракции создают предпосылки для новых технических решений в задачах радиопродиводействия и снижения эффективной площади рассеяния воздушных и морских целей.

Рассматривается задача дифракции волн линейной поляризации падающе го поля. Рассеянное поле от сферы в дальней зоне Fs ( ), Fs ( ). В качестве материала с дважды отрицательными электрофизическими характеристиками DNGM выбрана отечественная разработка со следующими характеристиками:

' = 1.4 i 0.1, µ ' = 1.3 i 0.1 [12]. Диаграммы рассеяния существенно отлича ются от соответствующих характеристик диэлектрических и металлических рассеивателей.

Рассмотрена задача дифракции волн круговой поляризации падающего по ля. При падении на сферу из DNGM электромагнитной волны правого кругово го вращения рассеянное поле имеет составляющую правого Fпв ( ) и левого s Fлв ( ) вращения.

s Рисунок 6: 1 – Fs ( ), 2 – Fs ( ) для Рисунок 7: 1 – Fпв ( ), 2 – Fлв ( ) для s s k0 a = 0.5 k0 a = 0. Расчетные формулы для основных характеристик рассеяния получены с использованием асимптотических представлений сферических функций Бесселя.

Рисунок 8: 1 – s, 2 – a, 3 – Рисунок 9: 1 – пв, 2 – лв, 3 – t = s +a пв + лв В пятой главе диссертационной работы рассмотрены основные вопросы, связанные с дифракцией на проводящих сферах с магнитодиэлектрическим ук рытием.

Исследовано рассеяние и поглощение электромагнитных волн на проводящих сферах с однослойным покрытием.

E = E 0 a Рисунок 10 – Модельная задача Исследованы несколько типов отечественных и зарубежных материалов. Пока зано влияние этих материалов на характеристики рассеяния сферических тел.

В диссертационной работе приводятся результаты численных исследований ма териала [7], для которого µ ' = 1, ' = Re( ') i 60 0 g, где g – проводимость в См/м. В качестве рабочих размеров металлической сферы выбраны k0 a, соот ветствующие максимальным значениям r из графика радиолокационного ко эффициента рассеяния. Это k0 a = 1.1 ( r = 3.6 ), k0 a = 2.35 ( r = 2.0 ).

Вторая серия численных результатов получена также для материалов «Лист 27» (ТУ 2539-038-00152075-2002). Резина выпускается в двух вариантах: 51 2190 и 51-2191. Среди материалов исследованы более ранние разработки: стекло пластик ЭДТ-10КВ/ТФ, полиамид ПА6 (ТУ 6-05-988-87). Исследована еще одна се рия диэлектрических материалов [13] (рисунки 11, 12).

Рисунок 11: 1 – r, 2 – a, 3 – s ;

Рисунок 12 – То же, что на рисунке 11, для t = 15мм ' = 15 i 5 ;

µ ' = 1 ;

диаметр сферы 500мм ;

t = 5мм Частотная равномерность s для k 0 a 3 объясняется интегрированием рас сеянной мощности по всем направлениям и сглаживанием осцилляций за счет потерь в обкладке.

Колебательный характер r связан с интерференцией волн тока на прово дящей поверхности, огибающих сферу через «северный» и «южный» полюса (при вертикальной поляризации падающего поля).

Результаты расчетов также приведены для следующих материалов:

' = 4.48 i 1.87, ' = 5.21 i 1.18, ' = 7.08 i 2.32, ' = 9.84 i 4.95, ' = 12.73 i 8. для разных толщин обкладки [14].

Для приближенного определения момента появления поверхностных волн использован плоский аналог структуры с диэлектрическим слоем.

В шестой главе диссертационной работы рассмотрены основные вопросы, связанные с рассеянием и поглощением электромагнитных волн сотовых диапазонов связи моделью головы человека [15].

Для распространенных стандартов сотовой связи получены данные по основным электрическим характеристикам, которые определяются при решении задачи дифракции на принятой модели;

антенные характеристики сотовых телефонов вблизи модели.

В качестве модели головы человека, выбрана шестислойная сферическая структура. Модель построена на основе анатомических данных и результатов экспериментальных измерений характеристик живых тканей. Основной электрофизической характеристикой является комплексная относительная диэлектрическая проницаемость слоев ' = Re ( ') i Im ( ').

На основании статистических данных внешний диаметр модели выбран 18см.

Поляризация падающего поля – линейная, записывается в сферической системе координат – E = E0 a. При = 0 вектор E параллелен оси 0x.

Поле представлено в виде разложения по ортогональной системе волн типа E и H. В поперечных сечениях структуры используются Фурье-разложение, характеристическая часть функций связана с радиальными координатами и учитывает пересчет от слоя к слою с помощью ориентированных модальных импедансов и адмитансов [16].

Таблица 2 – Характеристики слоев модели ' = Re ( ') i Im ( ') Граничные радиусы Ткань NMT-450 GSM-900 GSM- слоев ai, м 45.753 i 0.709 41.405 i 0.867 38.87 i 1. Кожный покров 0. 5.56 i 0.041 5.462 i 0.051 5.349 i 0. Жировая прослойка 0. 13.038 i 0.095 12.453 i 0.143 11.78 i 0. Костная часть 0. 46.243 i 0.839 44.426 i 0.961 42.893 i 1. Хрящевая прослойка 0. (Dura) 70.481 i 2.264 68.638 i 2.412 67.2 i 2. Цереброспинальная 0. жидкость (CSF) 56.55 i 0.758 52.72 i 0.942 50.08 i 1. Мозг 0. 1 E = E0 a a6 = a a1 a2 a Рисунок 13 – Модель задачи На рисунке 14 приведены диаграммы рассеяния в главных плоскостях ( = 0, = 2 ) для трех обозначенных в таблице 2 стандартов сотовой связи.

Рисунок 14: а – NMT-450, б – GSM-900, в – GSM-1800;

1 – E ( ), 2 – E ( ) Форма диаграмм близка к осесимметричной. Главный лепесток сужается с ростом электрического радиуса модели ( k0 a ). На высоких частотах (GSM-1800) уровень и число боковых лепестков увеличивается.

Характер диаграмм рассеяния сохраняется для оп и кп в диагональной плоскости.

Определена угловая зависимость модуля коэффициента деполяризации для трех стандартов сотовой связи.

Таблица 3 – Численные значения коэффициентов NMT-450 GSM-900 GSM- ( k0 a6 = k0 a = 0.848 ) ( k0 a6 = k0 a = 1.696 ) ( k0 a6 = k0 a = 3.393 ) Коэффициенты s 1.782 (1.46) 2.254 (2.126) 1.541 (2.151) a 0.726 0.412 0. t = s +a 2.508 2.666 2. ( 0,0 ) 0.341 0.627 2. (,0 ) 5.019 6.109 17. кп 0.24 0.34 0. Во второй строке таблицы 3 в скобках для сравнения указаны значения ко эффициентов рассеяния металлического шара тех же размеров.

На рисунке 15 приведены диаграммы направленности антенны в плоскости E (вертикальная плоскость) и в плоскости H (горизонтальная плоскость). В ка честве излучателя выбрана штыревая антенна – вертикальный вибратор. Рас стояние от антенны до модели 20мм.

Рисунок 15: а – NMT-450, k0b = 1.037 ;

б – GSM-900, k0b = 2.073 ;

в – GSM-1800, k0b = 4.147 ;

1 – E ( ), 2 – E ( ) Для оценки вводится коэффициент влияния – R s : R = R 0 R s, где R 0 – сопротивление излучения антенны в свободном пространстве, сопротивление излучения антенны – R. Модель оказывает минимальные влияния на антенну при расстояниях между антенной и моделью не менее 15 25мм. На рисунке показаны изменения диаграммы направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях для трех положений антенны относительно модели.

Рисунок 16: а – E ( ) : 1 – 2 см, 2 – 10 см, 3 – 20 см;

б – E ( ) : 1 – 2 см, 2 – 10 см, 3 – 20 см;

GSM- Из рисунков 16а, 16б видно, что уже при удалении антенны на 20см от мо дели, диаграммы направленности становятся схожими с диаграммами направ ленности антенны в свободном пространстве.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссер тационной работе.

В приложениях приведены: запись тензорных функций Грина сфериче ских областей;

акт внедрения результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1 При решении задачи дифракции используется универсальная запись тен зоров Грина для многослойных сферических областей. Представление компо нентов тензоров в виде цепных дробей способствуют алгоритмизации вычисли тельных процедур при расчетах.

2 Получены результаты о дифракционных характеристиках металлических и диэлектрических сфер. В частности, получены данные о дифракции на сферах с конечной проводимостью, определена мутация фазового центра при рассея нии.

3 Исследованы дифракционные свойства объектов, выполненных из мета материалов. Выявлены аномальные явления рассеяния.

4 Исследовано влияние защитных материалов на эффективную площадь рассеяния сферических объектов. Выявлено влияние поверхностных волн в структурах на снижение эффективной площади рассеяния.

5 Исследовано рассеяние и поглощение электромагнитных волн принятой моделью – пользователя персональным средством связи. В качестве модели го ловы человека, выбрана шестислойная сферическая структура. Модель по строена на основе анатомических данных и результатов экспериментальных измерений характеристик живых тканей. Основной электрофизической харак теристикой является комплексная относительная диэлектрическая проницае мость слоев.

6 Для выделенных стандартов сотовой связи получены данные о диаграм мах рассеяния, коэффициентах рассеяния и поглощения.

7 Поставлена и решена электродинамическая задача возбуждения модели головы человека антенной мобильного средства связи. Проведен расчет антен ных характеристик электрического вибратора. Проведен расчет зависимости сопротивления излучения антенны от положения антенны относительно моде ли. Установлено, что небольшое удаление антенны мобильного средства связи от модели головы человека способствует существенному уменьшению доли электромагнитной мощности, поглощаемой моделью. Основным фактором, способствующим уменьшению искажений антенных характеристик аппарата связи, является расстояние от антенны аппарата связи до модели.

8 Методика расчета позволяет определить параметры, характеризующие поглощение мощности, излучаемой вибратором, в отдельных слоях модели (удельный коэффициент поглощения SAR – specific absorption ratio).

9 Разработаны, опробованы и систематически применялись собственные подпрограммы расчета последовательности функций Бесселя полуцелого по рядка от комплексного аргумента. При расчетах гарантировалась заданная точность вычислений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1 Панченко Б., Глотов Е., Козлов С., Гизатуллин М. Электромагнитное рассеяние сферических тел, выполненных из материалов с мнимым и отрица тельным коэффициентом преломления // Вестник УГТУ-УПИ. Информацион ные системы и технологии в радиотехнике, связи, автоматике и управлении:

ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, №17 (69). – 323 с.

2 Панченко Б.А., Козлов С.А., Глотов Е.Н, Гизатуллин М.Г. Коэффициент рассеяния сферического тела из композиционного материала с отрицательным коэффициентом преломления // Вестник УГТУ-УПИ. Теория и практика радио локации земной поверхности: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, №19 (71).

3 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Рассеяние электромагнитных волн кру говой поляризации на сферических телах // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических трудов. Выпуск 4 / Под редакцией Е.А.

Субботина. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2005. – 252 с.

4 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Поляризационные потери при дифрак ции электромагнитных волн на сфере // Теория, техника и экономика сетей свя зи: сборник научно-технических трудов. Выпуск 4 / Под редакцией Е.А. Суббо тина. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2005. – 252 с.

5 Panchenko B., Glotov E., Gizatullin M. Scattering and absorption of electro magnetic waves in inhomogeneous bodies // EuCAP, Nice, France, 2006,vol. 1, p.218.

6 Панченко Б.А., Бачурин В.С., Гизатуллин М.Г., Глотов Е.Н. Современ ные аспекты задач электромагнитной дифракции на сферических телах // Науч ные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2006. – 500 с.

7 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция на диэлектрических сферах.

Внутренняя задача // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник науч но-технических и методических трудов. Выпуск 5 / Под редакцией Е.А. Суббо тина. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2006. – 296 с.

8 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г., Игитханян Г.В. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн на неоднородных телах // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 5 / Под редакцией Е.А. Субботина. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУ ТИ», 2006. – 296 с.

9 Panchenko B., Gizatullin M. Synthesis of plane and curved multilayer elec tromagnetic absorbers // EuCAP, Edinburgh, UK, 2007, p. 518.

10 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. – 88 с.

11 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Синтез покрытий с минимальным рас сеиванием электромагнитных волн // 2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиовысотометрия-2007», Каменск-Уральский, ОАО «УПКБ «Деталь», 2007.

12 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Дифракция электромагнитной волны круговой поляризации на слоистой структуре // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 6 / Под редакцией Е.А. Субботина. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУ ТИ», 2007. – 292 с.

13 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г., Глотов Е.Н. Дифракция плоской элек тромагнитной волны на проводящей сфере с поглощающим слоем // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2007».

Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2007. – 464 с.

14 Panchenko Boris, Gizatullin Marat, Knyazev Sergey, Shabunin Sergey.

Metamaterials using for radiation enhancing of coaxial transmission // Metamaterials, Pamplona, Spain, 2008.

15 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Воздействие электромагнитного облу чения сотовых диапазонов связи на модель головы пользователя // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2008» в рамках 5-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2008».

Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2008.

16 Панченко Б.А., Гизатуллин М.Г. Рассеяние и поглощение электромаг нитных волн слоистыми структурами: Монография. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. – 117 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ [1] Хёнл Х., Мауэ А., Вестпфаль К. Теория дифракции. – М.: Мир, 1964.

[2] Борн М., Вольф Э. Основы оптики. – М.: Наука, 1973.

[3] Марков Г.Т., Чаплин А.Ф. Возбуждение электромагнитных волн. – М.:

Радио и связь, 1983.

[4] Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. – М.: ИЛ, 1961.

[5] Mie G., Physik Ann. d., 1908, 25, 377.

[6] Debye P., Physik Ann. d., 1909, 30, 57.

[7] Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. – М.: Советское радио, 1975.

[8] Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицатель ными значениями и µ // Успехи физических наук, 1967, Т.92, Вып. №3. – 517 с.

[9] Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., and Stewart W.J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1999, vol. 47, № 11, pp. 2075-2081.

[10] Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., and Schultz S.

Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett., 2000, vol. 84, pp. 4184-4187.

[11] Ziolkowski R.W. // IEEE Trans., AP, 2003, vol. 51, № 7, pp. 1516-1529.

[12] Lagarkov V.N., Kissel V.N. // Pros. of the Symp. F. ISVAT 2003. – World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 2003, pp. 157-160.

[13] Strifors H.C., Gaunaurd G.C. Scattering of electromagnetic pulses by sim ple-shaped targets with radar cross section modified by a dielectric coating // IEEE Transactions on antennas and propagation, 1998, vol. 46, № 9, pp.1252-1262.

[14] Cui S., Weile D.S., Volakis J.L. Novel planar electromagnetic absorber de signs using genetic algorithms // IEEE Transactions on antennas and propagation, 2006, vol. 54, № 6, pp.1811-1817.

[15] Panchenko B., Kozlov S., Knyazev S. // International Symposium on An tennas. Nice, 2002, vol. 1, p. 215.

[16] Панченко Б.А. // Радиотехника и электроника, РАН, 2004, Т. 49. № 11.

– 1350 с.

Подписано в печать 11.01. формат бумаги 62x84/16, отпечатано на ризографе, шрифт № изд. л. 1, тираж 100, заказ № Типография УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ» 620109, г. Екатеринбург, ул. Репина,

 


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.