Розв'язуючі властивості імпедансної смуги, розташованої на провідній поверхні

Електродинамічні характеристики імпедансних поверхонь. Математична модель задачі аналізу. Методи чисельного розв`язання інтегральних рівнянь Фредгольма другого роду. Характеристика впливу приймальної антени на розв'язуючі властивості імпедансної смуги.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Вступ

У радіозв'язку, радіолокації і техніку СВЧ часто використовують імпедансні поверхні (структури).

Імпедансні поверхні (структури) знаходять широке застосування при розробці: СВЧ пристроїв із заданими властивостями, импедансных антен із заданими параметрами випромінювання, розв'язуючих антенних структур, направляючих систем з необхідними характеристиками.

На практиці часто зустрічаються випадки. коли передавальна та приймальна антени розташовані в безпосередні близькості одна від одної. Прикладами такого розташування можуть бути наступні випадки: антени, які розташовано на борту повітряного чи морського судна, на борту супутника, космічного корабля та інших рухомих i нерухомих об'єктах, пов'язаних з передаванням та прийманням радіохвиль.

Звідси походить необхідність застосування цілого комплексу заходів, які забезпечують нормальне функціонування радіоелектронних систем в умовах близько розташованих джерел заважаючого електромагнітного випромінювання.

У [1] відзначається, що імпедансні поверхні (структури) використовуються в пристроях, де відбувається обмін енергіями між електромагнітним полем і зарядженими частками (лампи бігучої хвилі, циклотрони та ін.), в антенній техніці (поверхневі антени, розв'язувальні антенні пристрої й ін.).

Найбільш поширеним та достатньо ефективним способом зниження заважаючої дії випромінювань передавальних антен на приймальні антени. є спосіб заснований на використанні різного роду екранів, яки розташовуються в просторі між антенами.

Екрані плоскої форми є менш ефективним і (забезпечують зниження впливу до 10 дБ, при помірних розмірах), значно кращі результати забезпечують екрани опуклої форми (більш ніж 30 дБ в широкий смузі частот). Значним недоліком екранів є наявність потреби в додатковому та доволі великому обсязі простору для його розміщення.

При дослідженні пристроїв, заснованих на застосуванні імпедансних поверхонь (структур), розглядаються прямі і зворотні задачі розсіювання електромагнітних хвиль.

Питання взаємодії антен при застосуванні структур просторової розв'язки розглядались багатьма авторами [2-5].

Структура просторової розв'язки або імпедансної структури застосовуються як для розв'язки між приймальною та передавальною антенами, так і для запобігання затікання струму на поверховість антен, яки не призначенні для випромінювання радіохвиль. В [3] відмічається, що «суть цього методу полягає в тому, що за визначених умов, (імпедансна структура «віджимає» поле від своєї поверхні зменшуючи тим самим кількість енергії, яка поступає в приймальну антену».

До прямих задач (задачі аналізу импедансных поверхонь) відносяться задачі, зв'язані з визначенням електромагнітного поля над тілами заданої конфігурації при заданому законі розподілу поверхневого імпедансу. Типовими задачами такого плану є задачі про випромінювання антен над тілами з провідними границями з метою вивчення впливу кінцевої провідності матеріалу на характеристики антен. Подібні задачі зустрічаються також при аналізі характеристик різних вузлів хвилевідних трактів.

Розвиток техніки антен вимагає рішення задач по визначенню розв'язуючих властивостей імпедансних смуг, впливу випромінюючих розкривів на розв'язуючі властивості, імпедансних смуг, оптимізації розподілу імпедансу по ширині смуги в заданій смузі частот. Аналіз ефективності розв'язуючих структур є актуальною задачею.

Дана робота присвячена одному з найефективніших способів зниження взаємного впливу антен, який полягає в розміщенні між антенами спеціальних структур просторової розв'язки.

Метою цієї дипломної роботи є рішення конкретній задачі аналізу розв'язуючих властивостей імпедансної смуги, розташованої на провідній поверхні.

Об'єктом дослідження є імпедансна смуга з однорідним та неоднорідним імпедансом.

У результаті аналізу будуть розглянуті деякі властивості розв'язуючої імпедансної смуги, що на наш погляд, мають як теоретичний, так і практичний інтерес.

1. Задача аналізу розв'язувальних імпедансних смуг

1.1 Електродинамічні характеристики імпедансних поверхонь

Імпедансні поверхні (імпедансні структури) широко застосовують у радіозв'язку, радіолокації та техніці НВХ (надзвичайно високі хвилі). У [6] відзначається, що імпедансні поверхні використовуються у пристроях, в яких відбувається обмін енергіями між електромагнітним полем та зарядженими частками.

Найбільше застосування імпедансні структурі знаходять в антенній техніці у якості розв'язуючих антенних пристроїв.

Застосування швидко змінюючихся імпедансів дозволяє створювати таки прилади як антени, розв'язуючі структури с покрашеними характеристиками.

При дослідженні особливостей взаємного впливу антен та електродинамічних властивостей структур просторової розв'язки, до яких відносяться імпедансні поверхні, багато авторів [2,3,7] розглядають дві антени приймальну та передавальну ступінь взаємодії яких, характеризують коефіцієнтом зв'язку, що визначається формулою:

, (1.1)

де Р_пер - потужність, що підведена до передавальної антени;

Р_пр - потужність на навантажені приймальної антени.

Іноді використовують обернену величину, яка має назву коефіцієнта просторової розв'язки антен і визначається за наступною формулою:

. (1.2)

Коефіцієнт просторової розв'язки показує, наскільки послаблюється потужність на виході приймальної антени порівняно з потужністю на вході передавальної антени.

Коротко розглянемо основні способи зменшений коефіцієнта зв'язку антен, тобто збільшення величини розв'язки,

Найбільш поширеним способом є застосування екранів різної форми (плоских, випуклих), які розташовують в просторі поміж антенами [8,9]. Екрани можуть бути як добре провідними, так і поглинаючими, до того ж, щоб досягти малого коефіцієнта зв'язку вони повинні мати значні розміри.

Інший ефективним способом є застосування антен зі спеціальним розподіленням полів в апертурі антени, яке забезпечує мінімум взаємного зв'язку при збереженні необхідних направлених властивостей антени [10,11]. Різновидом останнього способу можна назвати метод, що полягає у створенні необхідного розподілення поля в просторі поміж антенами шляхом розміщення додаткових випромінювачів поблизу апертур антен, які потрібно розв'язати.

Одним з основних є також спосіб, який полягає у розміщенні в області поміж антенами імпедансних структур просторової розв'язки антен (далі - розв'язувальні структури). При цьому створюється таке перерозподілення електромагнітного поля у просторі поміж антенами, яке призводить до зниження коефіцієнта зв'язку в деякій області частот.

Під імпедансними структурами зазвичай розуміють такі структури. електродинамічні властивості поверхонь яких можуть бути охарактеризовані так званими імпедансними граничними умовами. Імпедансні граничні умови відбивають зв'язок між дотичними складовими векторів електричного та магнітного полів на поверхні розділення двох середовищ у тому разі, коли поле в одній з них носить характер плоскої хвилі, що іде всередину за напрямком нормалі до поверхні розділення. Хвильовий опір , де - абсолютна магнітна проникність, - абсолютна діелектрична проникність, цього середовища називають, в даному випадку, поверхневим імпедансом , що означає повний комплексний опір.

Під поверхневим імпедансом розуміють комплексне число, що зв'язує поміж собою дотичні складові електричного та магнітного полів на поверхні розділення двох середовищ. Також використовують поняття стороннього поверхневого імпедансу, де «сторонній», стосовно до імпедансу, означає, що його величина ніяким чином не залежить від виду й структури падаючого електромагнітного поля, а визначається тільки формою та властивостями поверхні самого тіла.

Імпедансні граничні умови записують наступним чином:

, (1.3)

де - поверхневий імпеданс (Ом);

- нормаль до границі розділення середовищ;

- вектор напруженості електричного поля (В/м):

- вектор напруженості магнітного поля (А/м).

Єдине рішення задач з імпедансними граничними умовами забезпечується тому разі_; якщо величина в (1.3) є комплексною з додатною дійсною частиною [12].

Граничні умови (1.3), що також називають умовами Леонтовича-Щукіна, мають застосування на границі розділення двох середовищ у тому випадку, коли одне з них має, наприклад, велику провідність (або велике значення електричної чи магнітної проникності), а також на поверхні деяких спеціальним електродинамічних конструкцій. При цьому для неплоских поверхонь потрібно, щоб радіус їхньої кривизни значно перевищував довжину хвилі.

Прикладами таких спеціальних поверхонь можуть бути:

1).Однорідний півпростір, в якому параметри середовища такі [6], що, або »1- де - питома провідність середовища [См/м], - кутова частота[]. або », при ₂=0. У першому випадку на границі розділу першого середовища, парам...