Электродинамическое исследование характеристик некоторых антенных систем, расположенных вблизи металлургических переизлучателей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ХОНДУ Александр Абрамович

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НЕКОТОРЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ, РАСПОЛОЖЕННЫХ ВБЛИЗИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЕРЕИЗЛУЧАТЕЛЕЙ

01.04.03- радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

доцент С.А.Федоров

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Б.Г.Барабашов.

Ростов-на-Дону 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................ 5

1. Анализ методов решения задачи дифракции и возбуждения электромагнитных волн для антенных систем, размещенных вблизи металлических поверхностей........................................................... 14

1.1. Общие соотношения и уравнения электродинамики............... 15

1.1.1. Постановка задачи..............................................................................................................................................15

1.1.2. Методы интегральных уравнений............................................................................................18

1.1.3. Асимптотические методы......................................................................................................................23

1.2.Учет вращательной симметрии тел..........................................................................................................25

1.3. Численное решение поверхностных и проволочных интегральных уравнений при анализе вибраторных структур................................28

1.3.1. Метод проволочных структур.................................................. 28

1.3.2. Модифицированное уравнение Галлена для вибраторов среднего электрического радиуса..................................................... 30

1.3.3. Возбуждение вибратора вблизи плоского прямоугольного экрана............................................................................... 31

1.4 Выводы.................................................................................................. 33

2. Прямое численное решение интегро-дифференциального Е- уравнения в задачах возбуждения штыревых антенн и дифракции электромагнитных волн на цилиндрических и плоских переизлучателях. 34

2.1. Прямое численное решение интегро-дифференциального Е-уравнения.................................................................................... 35

2.2. Дифракция плоской волны на цилиндрических и плоских идеально проводящих поверхностях................................................... 36

2.2.1. Проволочная модель вибраторной антенны............................ 36

2.2.2. Анализ цилиндрических переизлучателей среднего

42

радиуса.................................................................................. ^

2.2.3. Дифракция электромагнитных волн на плоском

49

прямоугольном экране........................................................... чу

2.3. Влияние цилиндрических и плоских переизлучателей на параметры штыревой антенны............................................................. 57

2.3.1.Возбуждение штыревой антенны в свободном пространстве........................................................................... 57

2.3.2. Возбуждение штыревой антенны в присутствии металлического цилиндра малого и среднего электрического радиуса..................................................................................... 58

2.3.3. Анализ вибраторных систем, расположенных вблизи плоских идеально проводящих экранов............................................................ 61

2.4.Вывод ы................................................................................................. 65

3. Итерационный метод решения векторного интегро-дифференциального Е-уравнения....................... ........... 66

3.1. Метод итерационного решения векторного Е-уравнения для цилиндрического переизлучателя................................................ 67

3.1.1. Анализ дифракции плоской волны на цилиндрическом переизлучателе среднего электрического радиуса............................. 67

3.1.2. Особенность численного решения итерационного интегрального уравнения...........................................................74

3.1.3. Обобщение метода для решетки параллельных вибраторов..... 78

3.2. Результаты численного моделирования процессов дифракции электромагнитных волн на цилиндрических конструкциях................ 82

3.2.1. Исследование частотной зависимости азимутальных гармоник........................................................................... 82

3.2.2. Анализ фазовых пеленгационных характеристик угломерных радиосистем....................................................................... 88

3.3. Анализ приближения скалярного Е- уравнения........................... 97

3.3.1. Сравнительный анализ тонкой частотной структуры электромагнитного поля в задачах рассеяния, в рамках скалярного Е-уравнения...............................................................

3.3.2. Теоретический анализ модифицированного интегрального уравнения типа Галлена........................................................

3.4. Выводы............................................................................................... 108

4. Развитие метода гибридной теории дифракции для исследования направленных свойств корабельных антенн ДКМ диапазона................ 110

4.1. Определение поверхностного тока на криволинейных металлических поверхностях................................................................. 111

4.1.1. Геометрия криволинейных металлических поверхностей элементов корабельных конструкций................................................ 111

4.1.2. Расчет поверхностного тока и напряженности поля методом физической оптики............................................................................. 114

4.2. Определение токов для штыревых антенн и цилиндрических проводников........................................................................... 121

4.3. Идентификация основных классов объектов морского базирования по их радиоизлучению в дальней зоне......................126

4.4. Сравнение напряженности поля поверхностной и пространственной волн, излученных антеннами ДКМВ морского базирования........................................................................... 156

4.4.1. Расчет характеристик распространения пространственной волны в декаметровом диапазоне....................................................... 156

4.4.2. Расчет напряженности поля поверхностной волны............... 161

4.4.3. Сравнение величин напряженности поля пространственной и поверхностной волн............................... 165

4.5. Выводы............................................................................................... 172

Заключение.................................................................................................... 173

Библиографический список,

178

ВВЕДЕНИЕ

На практике достаточно типичны случаи, когда вблизи приемных (передающих) антенных систем находятся переизлучающие металлические конструкции. Это имеет место, например, при размещении антенн различного диапазона и назначения на ограниченной площади объектов морского базирования, когда вблизи от них находятся металлические конструкции различной конфигурации и размеров (мачты, оттяжки, ограждения, крепления, металлические элементы корпуса и т.д.).

Второй пример - самолетные антенны. Исследование параметров самолетных антенн показало, что корпус самолета является основным излучателем, и задача проектирования самолетных антенн сводится к решению задачи возбуждения корпуса самолета облучателями, обладающими малым аэродинамическим сопротивлением [1]. Характеристики системы корпус - облучатель сильно зависят от конструкции самолета, длины волны и мест размещения облучателей и должны рассматриваться с учетом дифракции электромагнитных волн на корпусе самолета.

Как в первом, так и во втором случаях (примерах) приходится признать отсутствие практичных и, главное, достаточно строгих методов расчета диаграмм направленности (ДН) антенн. Выделим несколько групп задач, тесно связанных с решением задачи дифракции и возбуждения электромагнитных волн для антенных систем, размещенных вблизи с металлическими переизлучающими конструкциями:

• Проблема электромагнитной совместимости ОМС) радиосредств. Среди возможных причин появления неумышленных помех в антенно-фидерном тракте антенной системы следует назвать помехи, обусловленные пространственными электромагнитными связями между элементами данной антенной системы (АС) и элементами других систем, в т.ч. пассивных переизлучающих металлических конструкций. Эти связи приводят к тому, что изменяются характеристики и направленные свойства антенн ( форма главного лепестка, уровень боковых лепестков, входные сопротивления антенн и т.п.). В этих условиях эффективное проектирование антенных систем связи (СС) невозможно без информации о количественных характеристиках антенных устройств с учетом влияния подстилающей поверхности,

элементов самих антенных устройств и объектов, расположенных вблизи АС .

• Оптимизация размещения антенных устройств. Решение данной задачи тесно связано с решением предыдущей задачи. Действительно, поскольку параметры антенн существенно зависят от свойств окружающих объектов, то неправильный выбор места расположения антенны может привести к резкому ухудшению качественных характеристик средств связи и пеленгации.

• Конструирование антенн специального назначения. Речь идет о проектировании уже упомянутых корабельных и самолетных антенн, т.е. АС, расположенных вблизи большого количества переизлучающих объектов.

• Анализ интерференционных ошибок угломерных радиосистем (пеленгаторов). Наличие переизлучающих конструкций приводит к тому, что электромагнитное поле в приемных точках имеет ярко выраженную многолучевую структуру. Отличие падающего волнового фронта от плоского, вызванное многолучевой природой сигнала, в свою очередь, приводит к эксплуатационной интерференционной погрешности пеленгаторов. Если интерференционные ошибки, связанные с взаимодействием статистически независимых лучей, изучены достаточно хорошо и для их снижения используются методы временной обработки принятых сигналов (см., например, [2-4]), то погрешности, обусловленные интерференцией лучей, параметры которых имеют детерминированную взаимосвязь, исследованы в значительно меньшей степени. Учет таких погрешностей, достигающих на практике десятков градусов [5,6], в настоящее время выполняется, главным образом, с помощью эмпирических поправочных таблиц.

• Идентификация источника радиоизлучения ГИРИ) по диаграмме направленности. Уникальное взаимное расположение передающей АС и металлических переизлучателей на объекте-носителе определяет, в свою очередь, уникальную диаграмму направленности данной системы. Таким образом, структура электромагнитного поля АС несет в себе информацию как о АС, так и о самом объекте, и может быть использована для идентификации последнего.

Перечисленные и аналогичные им задачи решаются в настоящее время,

в основном, в результате проведения натурных экспериментов (измерений)

[1,7,8]. Однако, как справедливо отмечено в работе [9]: " Во-первых, такие

эксперименты в большинстве случаев крайне трудоемки и обходятся весьма дорого (например, для экспериментального исследования направленных свойств антенны, установленной на самолете, проводятся летные испытания). Во вторых, их правильное проведение требует четкого представления о дифракционных явлениях, что возможно только после изучения теоретических работ по дифракции радиоволн".

В то же время другой, более экономичный подход, предполагающий теоретический расчет реальных АС специального назначения ( в т.ч. судовых АС) в присутствии переизлучателей, в литературе освещен недостаточно по следующим причинам:

• Во-первых, в большинстве случаев решение конкретной поставленной задачи сопряжено с большими математическими и вычислительными трудностями и практически реализуется только на основе построения упрощенных математических или физических моделей.

• Во-вторых, несмотря на то, что с помощью известных методов можно строить математические или физические модели, адекватные достаточно сложным излучателям, в настоящее время отсутствуют универсальные методы и, тем более, универсальные программы, позволяющие исследовать характеристики реальных АС, расположенных вблизи металлических, диэлектрических или слоистых тел.

• В-третьих, достаточно часто в литературе встречаются работы, в которых для решения конкретных задач привлекаются те или иные методы (модели) без строгого исследования искажений (отличия истинных значений определенных характеристик от расчетных), вносимых в решение данными методами, а также границ применимости последних. В качестве примера приведем метод проволочных моделей [10,11]. Преимущество метода заключается в простоте алгоритмизации одномерных интегральных уравнений для проволочных моделей. Недостаток метода - в несоответствии проволочных моделей реальным системам с поверхностными токами. В частности, в проволочных моделях возможны резонансы контурных токов ( в ячейках проволочных сеток ), существенно влияющие на электродинамические характеристики моделей. Кроме того, возможны резонансы, обусловленные проникновением поля во внутреннюю область, ограниченную "проволочной" сеткой. Такие резонансы являются следствием неточностей моделирования и в реальных системах с поверхностными токами отсутствуют. Резонансные явле-

ния в ячейках проволочных сеток делают невозможным применение метода "проволочных" моделей для анализа тонкой частотной структуры электромагнитного поля, излучаемого в реальных системах с поверхностными токами.

Отметим работы [12-15], посвященные исследованию характеристик судовых антенн в присутствии металлических переизлучателей. В [12] решается задача об оптимальном расположении антенны на корабле. Предлагаются рекомендации по минимально допустимому расстоянию между приемными и передающими, передающими и переизлучающими антеннами, а также между палубой и передающими антеннами. В [13] применительно к корабельным антеннам приводятся результаты исследования излучающих антенн в дальней зоне с учетом корабельных надстроек, мачт и соседних излучателей. Расчет проводился методом моментов. Строгий теоретический расчет влияния паразитных переизлучателей на работу пеленгационных систем в доступной литературе практически отсутствует (см.,например, [14,15] для судовых пеленгаторов). Только в [16] выполнена теоретическая оценка влияния судовых переизлучателей (корпуса судна, мачты, трубы) на работу навигационного рамочного КВ пеленгатора. В [17] теоретически рассмотрено влияние электромагнитного взаимодействия приемных штырей на работу вибраторного пеленгатора.

В [18] развит алгоритм расчета характеристик рассеяния цилиндрических переизлучателей среднего электрического радиуса на базе модификации аппарата интегральных уравнений (ИУ) Галлена, с учетом азимутальных вариаций плотности поверхностного тока. В рамках данной модели исследуется влияние эталонных переизлучателей: резонансного вибратора, цилиндра средней толщины, вибраторной стенки на пеленгационную фазоразностную характеристику и характеристику типа Эдкок 4-х элементной пеленгационной антенной решетки (АР).

Теоретический анализ электромагнитных характеристик вибраторных структур наиболее строго выполняется с помощью ИУ. Для исследования электрически "тонких" вибраторов эффективно используются "проволочные" ИУ (Галлена, Поклингтона). С ростом радиуса вибраторов использование приближения "проволочной" модели приводит к недопустимым погрешностям, связанным как с методическими и численными трудностями, так и с необходимостью учета азимутальных вариаций продольной и азимутальной

составляющей плотности поверхностного тока. Строгий анализ "нетонких" вибраторов предполагает использование поверхностных ИУ и решение систем линейных уравнений чрезвычайно высоких порядков. Таким образом, важное практическое значение приобретает развитие приближенных методов, свободных от недостатков, характерных для проволочной" модели. К числу таких методов следует отнести метод "модифицированного" ИУ Галлена [18]. К сожалению, в литературе отсутствует исследование границ применимости данного метода.

Все сказанное позволяет выделить задачи исследования характеристик АС, расположенных вблизи с металлическими переизлучающими конструкциями, в отдельную область исследования, имеющую важное научно-прикладное значение.

Цель работы.

Строгое электродинамическое исследование характеристик вибраторных антенн, расположенных вблизи с металлическими переизлучателями и разработка на этой основе прикладных методов, алгоритмов и пакета программ, предназначенных для проектировании антенных систем средств связи и пеленгационных комплексов.

Для реализации сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• Исследование взаимовлияния вибраторной антенны и цилиндрического, и (или) плоского металлического переизлучателя конечных размеров;

• Построение строгого метода расчета характеристик вибраторных структур среднего электрического радиуса. Анализ характеристик излучения (рассеяния) вибраторов среднего радиуса;

• Построение асимптотического решения задачи расчета характеристик решетки коллинеарных вибраторов в присутствии металлических переизлучателей;

• Определение границ применимости описанного в литературе метода "модифицированного" уравнения Галлена;

• Определение идентификационных признаков, соответствующих основным типам объектов морского базирования.

• Сравнение напряженности поля поверхностной и пространственной волн, излучен�