Диссертация (Численное электродинамическое моделирование электрически малых антенн и элементарных излучателей)

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВОНАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕЛИАНОЗОВСКИЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЗАВОДНа правах рукописиГОДИН АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧЧИСЛЕННОЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕЭЛЕКТРИЧЕСКИ МАЛЫХ АНТЕНН И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙСпециальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологииДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительд.т.н., в.н.с.Климов Константин НиколаевичМосква – 20152ОглавлениеВведение .................................................................................................................... 51. Численное электродинамическое моделирование электрически малыхантенн .............................................................................................................................

131.1Введение .................................................................................................... 131.2Топология исходного неуменьшенного излучателя ............................. 141.3Результатычисленногоэлектродинамическогомоделированияисходного неуменьшенного излучателя .....................................................................

161.4Топология ЭМА на основе выбранного излучателя............................. 211.5РезультатычисленногоэлектродинамическогомоделированияУ10ЭМА при R = 5 мм .................................................................................................. 231.6РезультатычисленногоэлектродинамическогомоделированияУ10ЭМА при R = 10 мм ................................................................................................ 281.7РезультатычисленногоэлектродинамическогомоделированияУ10ЭМА при R = 15 мм ................................................................................................

321.8Сравнительныйанализрезультатовэлектродинамическогомоделирования исходного излучателя и ЭМА ........................................................... 371.9Выводы ...................................................................................................... 412. Моделирование внешнего куба Гюйгенса .................................................. 422.1Введение .................................................................................................... 422.2Исследование внешнего куба Гюйгенса ................................................ 442.3Результаты моделирования внешнего куба Гюйгенса в воздушнойкоробке размером 25х25х25 мм ...................................................................................

472.4Исследование сходимости характеристик внешнего куба Гюйгенса взависимости от размера воздушной коробки ............................................................. 542.5Сравнение характеристик внешних кубов Гюйгенса со сторонамиребер воздушного куба B, равных 5, 10 и 25 мм ........................................................ 6532.6ГюйгенсаСравнение матриц рассеяния внутреннего и внешнего кубов.................................................................................................................... 712.7Внешний куб Гюйгенса как частотный диплексер...............................

722.8Результаты моделирования диаграмм направленностей внешнего кубаГюйгенса2.9.................................................................................................................... 73Влияние на диаграмму направленности граничного условия на входе2 при возбуждении входа 1 .......................................................................................... 822.10 Выводы ...................................................................................................... 833. Моделирование внешнего куба Сестрорецкого ........................................

853.1Введение .................................................................................................... 853.2Описание геометрии внешнего куба Сестрорецкого ........................... 853.3Внешний куб Сестрорецкого при синфазном возбуждении ............... 893.4Результаты моделирования половинки куба Сестрорецкого присинфазном возбуждении ............................................................................................... 923.5Внешний куб Сестрорецкого при противофазном возбуждении ....... 973.6Результаты моделирования половинки куба Сестрорецкого припротивофазном возбуждении ..................................................................................... 1003.7Результаты моделирования внешнего куба Сестрорецкого ..............

1013.8Внешний куб Сестрорецкого как частотный диплексер и делитель начетыре3.9.................................................................................................................. 109Результаты моделирования диаграмм направленностей внешнего кубаСестрорецкого..............................................................................................................

1113.10 Выводы .................................................................................................... 1164. О возможности существования самосогласованного решения дляэлектромагнитного поля в вакууме, описывающего реактивные поля ЭМА . 1184.1Введение ..................................................................................................

11844.2Самосогласованное решение системы внешнего и внутреннего кубаСестрорецкого для квазистатического случая ......................................................... 1194.3Оценкавремениизлученияполовиныэнергиидлясамосогласованного решения..................................................................................... 1224.4Эквивалентная схема внешнего куба Сестрорецкого ........................ 1274.5Сравнение габаритов ЭМА и элементарных излучателей ................. 1294.6Выводы .................................................................................................... 1335.

Автоматизированный комплекс для мультичастотного измерениядиаграмм направленностей электрически малых антенн .................................... 1355.1Введение .................................................................................................. 1355.2Схема экспериментального измерения антенных характеристикизлучателя .................................................................................................................. 1365.3Сравнение экспериментальных и рассчитанных данных ..................

1415.4Теоретически рассчитанные характеристики излучателей ФАР ...... 1475.5Экспериментальное измерение характеристик излучателя в безэховойэкранированной камере .............................................................................................. 1535.6Сравнение экспериментальных и рассчитанных данных .................. 1565.7Выводы .................................................................................................... 161Заключение...........................................................................................................

162Список литературы ............................................................................................ 164Список докладов на конференции................................................................... 169Список научных работ ....................................................................................... 171Список учебно-методических работ ................................................................

173Акты внедрений .................................................................................................. 1745ВведениеСовременное состояние вопроса и актуальность темыСовершенствование элементной базы в последние десятилетия привело куменьшению габаритов радиоэлектронных устройств и увеличению плотностикомпонентов внутри них. Однако это касается в основном узлов радиоаппаратуры,размеры которых мало зависят от рабочей частоты.

Наиболее сложно подвергаютсяминиатюризации антенны и устройства СВЧ, так как их размеры определяютсярабочей длиной волны. При уменьшении электрических размеров антенн неизбежновозникает вопрос об эффективности излучения и согласовании с линией питания,что не позволяет добиться высокого КПД для электрически малых излучателей,поскольку существует связь между размерами антенны и её предельнойдобротностью(пределВиллера-Чу-Маклина).Однойизпричиннизкойэффективности электрически малых антенн является запасенная в ближней зонереактивная энергия, доля которой увеличивается с уменьшением размеровизлучателя. Именно поэтому является актуальной задача электродинамическогомоделирования излучателей электрически малых размеров.Выбор и обоснование метода исследованияОбщая методика исследования заключалась в применении численногомоделирования на основе уравнений Максвелла и использовании универсальныхэлектродинамических программ при рассмотрении излучателей электрически малыхразмеров.Цель диссертационной работы - исследование характеристик и свойствэлектрически малых и элементарных излучателей для построения антенных систем сминимально возможными габаритными размерами и приемлемыми электрическимихарактеристиками.6Задачи исследования:Теоретическая частьПроведение численного электродинамического моделирования на програмномкомплексе ANSYS HFSS v.15 электрически малых антенн, элементарныхизлучателей, таких как внешние кубы Гюйгенса и Сестрорецкого.

Исследованиечастотного поведения элементов матриц рассеяния и диаграмм направленностейданных объектов, в том числе для квазистатического случая.Практическая частьРазработка численных процедур для автоматизации обработки результатовмоделирования и проведения измерений электрически малых антенн и системизлучателей.Общая методика исследования заключалась в использовании процедурчисленного моделирования, основанных на уравнениях Максвелла.Научная новизна1. Предложена методика уменьшения габаритов существующих излучателей вN-раз с помощью применения специальных материалов, диэлектрическая имагнитная проницаемости которых в N-раз больше диэлектрической имагнитной проницаемостей вакуума.2. Исследованы, с помощью численных методов, частотные характеристикивнешнего куба Гюйгенса.