Электродинамика широкополосных комбинированных излучателей с существенной взаимосвязью полей ближней зоны (22.03.2010)

Автор: Беличенко Виктор Петрович

Получено также представление для интерференционного потока энергии за пределами объема, вмещающего комбинированный излучатель. Он является комплексным. Причем действительная и мнимая части определяются выражениями:

Анализ выражений (8-10) позволяет сделать следующие выводы:

, то интерференционный поток отсутствует; таким образом, совмещенные диполи не порождают интерференционного потока.

за счет интерференционного потока в комбинированной антенне поток энергии может на 65% превысить сумму потоков энергии уединенных диполей.

Изложенным выше демонстрируется реальная возможность в широкой полосе частот управлять безызлучательным переносом энергии в области интерференции активных и реактивных компонент поля ближней зоны комбинированного излучателя. Это осуществимо путем изменения амплитудно-фазовых соотношений возбуждающих излучатель электрических и магнитных токов. Анализ результатов численных расчетов для других моделей комбинированных излучателей, проведенных нами, а также имеющихся в литературе [17*] показал, что указанное управление позволяет регулировать импедансные и направленные характеристики излучателя в широкой полосе частот.

Дополнительный анализ решения задачи, рассмотренной во второй главе диссертации, показал, что интерференционный поток энергии возникает и в том случае, когда в ближней зоне активного излучателя размещена пассивная система проводников. Этот эффект проанализирован на примере электрического диполя, находящегося в центре спирально проводящей сферы.

В данном случае интерференционный поток энергии направлен от сферы к

сферической спиральной антенны, что находит отражение в уменьшении добротности и расширении полосы согласования такой антенны в области низких частот.

однозначно определяется значениями тангенциальных компонент электрического поля на ней. Поле, порождаемое токами второй системы, однозначно определяется значениями тангенциальных компонент магнитного поля на этой же сфере. Необходимо установить такую взаимосвязь компонент полей, которая обеспечивает минимальность запаса реактивной энергии такой излучающей системы.

потенциалы Дебая. Показано, что взаимосвязь потенциалов Дебая вида

обусловливает взаимосвязь векторов электрического и магнитного полей в пространстве

. Чисто действительной оказывается излучаемая мощность, причем поле излучения в дальней зоне является кругополяризованным. Сохранение этих свойств излучающей системы в определенной полосе частот сопряжено, с практической точки зрения, с решением проблемы создания в излучающей системе токов с необходимой зависимостью от частоты.

, расположенных сверху и снизу от плоского излучателя, требуется найти такие, для которых действительная часть входного импеданса излучателя имеет заданное значение и при этом обеспечивается минимальная величина мнимой части входного импеданса. Полученное для такой частной постановки задачи решение позволило разработать [14,31] вариант конструкции плоского комбинированного излучателя (рисунок 20), у которого характерный размер не превышает 0,3 максимальной рабочей длины волны и, в то же время, полоса согласования по уровню КСВ=2 превосходит две октавы. Разработка конструкции излучателя произведена Ю.И. Буяновым.

Рисунок 20 ? Топология плоского сверхши-рокополосного комбинированного излучателя (а); сверхширокополосное симметрирующее

устройство (б) Рисунок 21 ? Частотная зависимость КСВН излучателя

токов.

, представляются мультипольными разложениями при дополнительных условиях, что внешние поля, а следовательно и мультипольные моменты, заданы. Задача формулируется как вариационная задача изопериметрического типа и заключается в минимизации функционалов энергии вида

при дополнительном условии минимума реактивной энергии.

Как видно, наличие ограничений типа (11) в постановке этой задачи важно с той точки зрения, что обеспечивается минимум омических потерь в элементах антенной системы. В то же время, ограничение уровня реактивной энергии за счет выбора подходящего распределения неизлучающих токов позволяет решить вопросы согласования. При этом частотная зависимость множителей Лагранжа, фигурирующих в постановке задачи, позволяет, по крайней мере в принципе, оптимизировать габаритные, частотные и электрические характеристики синтезируемой антенны.

Получено решение этой задачи, совпадающее в частном случае с решением, представленным в работе [13*].

В приложениях излагается вспомогательный материал: кратко описываются математические модели и граничные условия в задачах электродинамики для спиральных структур; приводятся необходимые асимптотические представления для функций Уиттекера и их нулей по индексу, а также для частных решений уравнения Гельмгольца в сферической системе координат; выписываются соотношения ортогональности и вычисляются некоторые определенные интегралы; в таблицах приводятся значения нулей функции Лежандра и её производной по индексу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые получено строгое решение граничной задачи об осесимметричном возбуждении выпуклой спирально проводящей структуры общего вида (параболоид вращения) и на его основе дана наглядная физическая интерпретация волнам, возбуждаемым в подобных структурах. Особое внимание обращено на свойства волны, характеризующейся пространственно распределенным дифференциальным резонансом поля.

2. Предложена новая методика решения задачи о несимметричном возбуждении сферической спиральной антенны с постоянным углом намотки спиралей. При этом в случае симметричного возбуждения:

2.1. Подробно исследованы основные электродинамические характеристики антенны: поле в дальней зоне, поляризация излучения, сопротивление излучения, коэффициент направленного действия, реактивное наведенное сопротивление, свойство частотной селекции, энергия, запасаемая в ближней зоне антенны, и её добротность излучения.

2.2. Выявлены новые типы множественных низкочастотных резонансов спирально проводящей сферы, обусловленные наличием анизотропии проводимости. Выяснено, что именно с этими резонансами связан успех создания саморезонансных многозаходных полусферических спиральных антенн, описанных в [15*].

2.3.Найдены условия возбуждения волны, характеризующейся пространственно распределенным дифференциальным резонансом поля.

2.4. Определены условия расширения в область низких частот полосы согласования комбинированного излучателя, в виде стороннего источника и размещённой в его ближней зоне пассивной сферической спиральной структуры. Установлено, что существующий в излучателе интерференционный поток энергии способствует уменьшению суммарного запаса реактивной энергии, что обусловливает уменьшению добротности излучения.

3. Впервые показано, что комбинирование структуры сферической спиральной антенны с нерезонансным проводящим экраном конической формы приводит к снижению добротности существующих в ней множественных низкочастотных резонансов. Это обеспечивает расширение полосы пропускания антенны, а также позволяет, путем изменения угла раскрыва конуса, управлять направленными и поляризационными характеристиками её поля в дальней зоне.

4. Впервые показано, что широкополосность клиновидных излучающих структур с радиальной проводимостью граней обеспечивается возбуждением двух волн, характеризующихся пространственно распределенным дифференциальным резонансом поля смешанного типа с нулевым запасом реактивной энергии. В рамках этого исследования:

4.1. Построена теория нового интегрального преобразования по сферическим функциям.

4.2. Обоснована возможность использования этого преобразования в композиции с интегральным преобразованием Конторовича-Лебедева.

4.3. Осуществлен строгий электродинамический анализ в частотной и временной областях свойств указанных волн и показано, что при определенных условиях возбуждения они вносят доминирующий вклад в поле излучения.

5. Впервые развит подход, сочетающий использование при решении задач о возбуждении структур-прототипов некоторых антенн с полупрозрачными поверхностями, конечных интегральных преобразований типа Конторовича-Лебедева или Меллина и метода Винера-Хопфа. Основываясь на этом:

5.1. Установлена приближенная формула для определения разрежения спектра резонансных колебаний резонатора с конической вставкой малых электрических размеров и выявлена зависимость величины смещения резонансных частот от угла раскрыва конуса, а также рассмотрены особенности взаимодействия двумерных секторных цилиндрических резонаторов через апертуру в общей стенке.

5.2. Получено строгое решение трехмерной задачи об электростатических полях в проводящей сферической оболочке с коническим включением. Найдена точная формула для емкости такой структуры и на ее основе установлена приближенная формула. Подтверждена хорошая точность формулы на основе сопоставления с данными для включения в виде диска [9*].

5.3. Найдено обобщение соотношения для "большого параметра", встречающегося в задачах о связи двух резонансных объемов через апертуру в общей стенке, на случай, когда к этой апертуре близко примыкают соседние стенки резонатора.

5.4. Развита методика исследования частного вида линии передачи с внутренним проводником сложного сечения, составляющая альтернативу методу конформных преобразований.

6. Разработан новый метод решения ключевых задач об излучении кольцевых и дисковых источников существенно нестационарного излучения. Рассмотрена проблема максимизации по заданному критерию нестационарного поля излучения произвольной антенны в дальней зоне.

При этом произведена сравнительная оценка потенциалов ряда мощных современных источников сверхширокополосного импульсного излучения и обоснованы преимущества использования в таких источниках антенной решетки из комбинированных антенн.


загрузка...