автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему: Исследование характеристик сферических резонаторных антенн малых электрических размеров

Автореферат диссертации по теме "Исследование характеристик сферических резонаторных антенн малых электрических размеров"

На правах рукописи

Князев Николай Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СФЕРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРНЫХ АНТЕНН МАЛЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» (г. Екатеринбург).

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Панченко Борис Алексеевич

Мартышко Петр Сергеевич

Член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор, директор Института геофизики УрО РАН

Нечаев Юрий Борисович

Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО "Концерн "Созвездие"

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Уральское проектно- конструкторское бюро «Деталь», г. Каменск-Уральский.

Защита состоится 18 мая 2012 г. в 14 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.285.11 при ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» по адресу: г. Екатеринбург, ул. Мира, 32, к.217

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира 19, УрФУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.285.11 С.М. Зраенко

Автореферат разослан 16 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.285.11, к.т.н., доцент С.М.Зраенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 Ansoft HFSS.

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 «У 1111 «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.

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 5Г European Conference on Antennas and Propagation - EuCAP 2011 (г. Рим, Италия).

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.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, обоснована их достоверность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приводятся сведения об апробации работы и структуре диссертации. Также выполнен обзор литературы, посвященной теме диссертационной работы.

В первой главе диссертационной работы описывается постановка задачи об излучении кольцевой щели на сфере, а также приведен анализ существующих

Излучатель располагается в сферической системе координат и состоит из двух проводящих сферических сегментов радиусом а, разделенных малым промежутком с угловым раскрывом 2А (рис.1). Центр сферы совпадает с началом координат, угол 0О определяет положение щели на сфере (при экваториальном положении щели 0о=9О°). Указанный зазор образует радиальный резонатор, при симметричном возбуждении которого сторонний магнитный ток может полагаться постоянным вдоль щели (нулевая азимутальная вариация тока).

Рис.1 Расположение кольцевой щели на сфере

В этом случае силовые линии вектора сторонней напряженности поля в пределах заданного малого промежутка будут совпадать с меридиональными линиями на поверхности сферы. Так как высота радиального резонатора небольшая, то распределение поля в меридиональном направлении можно полагать постоянным.

Сторонний ток возбуждает электромагнитное поле во внешней области и вблизи поверхности проводящей сферы. Ток на поверхности сферы определяется азимутальной составляющей напряженности магнитного поля при г-а. Тогда на поверхности сферы граничные условия запишутся в виде:

Уравнения Максвелла в сферической системе координат при условии д/с)ф = О (так как искомое электромагнитное поле не зависит от угла ф) запишутся в виде:

Первое решение данной задачи было опубликовано Д.Стреттоном и Л.Чу более 70 лет назад. Позднее появился еще ряд публикаций, развивающих эту тему. Среди них можно выделить статью Й.Мушиаки и Р.Вебстера, в которой приведено решение внешней задачи при различном способе возбуждения и положении кольцевого резонатора, а также получены первые практические результаты. Из современных публикаций можно выделить работы К.Леунга, Г.Стюарта и А. Пидвербетски, С.Беста. Однако до настоящего времени не было опубликовано общего решения внутренней и внешней задачи для сферической антенны, при произвольной ширине щели и её положении на сфере и при наличии многослойной оболочки. Также не была проведена в полной мере оценка возможных методов уменьшения электрических размеров антенны, в том числе при использовании в конструкции метаматериалов различных типов.

Во второй главе диссертационной работы приводится решение задачи об излучении кольцевой щели на сфере с использованием метода тензорной функции Грина, в том числе при наличии многослойной оболочки (рис. 2а). Также приведены решения для кольцевой щели на полусфере над экраном (рис. 26) и двух кольцевых щелей на сфере (рис. 2в).

Рис. 2а — кольцевая щель на сфере с многослойной оболочкой, б — кольцевая щель па полусфере над экраном, в — расположение двух кольцевых щелей на сфере Объемная плотность стороннего магнитного тока в щели задана следующим образом:

где г' - радиус-вектор точки источника в сферической системе координат; Iм -амплитуда стороннего тока, 5(г' — а) - дельта-функция, аф- - азимутальный единичный вектор сферической системы координат.

Решение уравнений Максвелла для магнитного поля может быть записано в виде интеграла от заданного распределения стороннего магнитного тока, ядром этого функционала является тензорная функция Грина:

где г - радиус-вектор точки наблюдения в сферической системе координат; Г22(г,г') - тензор Грина магнитных токов, V' - объем распределения стороннего тока.

Чтобы получить выражение для напряженности магнитного поля во внешней области, нужно проинтегрировать поверхностный магнитный ток по поверхности апертуры щели с компонентой тензорной функции Грина Г22.ф(р.

После интегрирования в (4) с учетом (3) получим:

где = 120л = 377 Ом - характеристическое сопротивление свободного пространства;

м 1 ж/ТдРп(совВ) . _

Рп (соб 0) - полином Лежандра степени п; ) - функция Ханкеля второго рода

порядка п; [/¡',2) (■)] - ее производная; к() = 2зх/Х0 - волновое число, Х0 - длина волны в свободном пространстве.

Полная внешняя проводимость щели определяется методом наводимых МДС (методом "реакции"):

После интегрирования в (7) по поверхности щели 5 с учетом нулевой азимутальной вариации поля,

Л(к0а)/п(к0а) + Пп(к0а)"п( к0а )

]п(к0а) — сферическая функция Бесселя первого рода; пп(кйа) - сферическая функция Бесселя второго рода (функция Неймана); /п(к0а), п'п(к0а) — производные указанных функций. Нормировка сферических функций Бесселя выбирается так, чтобы вронскиан удовлетворял условию У„ (к„а) п'п (к(>а) — /п( каа) пп (к0а) = 1 • При такой нормировке сферические функции называются функциями Бесселя—Риккати.

Проведенные исследования сходимости ряда для Вг показали, что при к0а < 6 и 2Д = 5° достаточно принять А' = 85.

На рис. 3 представлены зависимости активной (сплошные линии) и реактивной (штриховые линии) составляющих внешней проводимости от электрического размера к0а при 0О = 90° для различных величин ширины щели (кривые 1 - Д = 3°, кривые 2 - Д = 5°, кривые 3 - Д = 10°).

Рис. 3 Зависимости активной Ог и реактивной Вг частей внешней проводимости от к0а