Дифракция электромагнитных волн на неоднородных сферических телах

Актуальность темы

Электромагнитная теория является одной из основ электроники, радиолокации и связи. В связи с тенденциями перехода в область терагерцового и оптического диапазонов волн, электродинамические методы расчета устройств в области электроники, радиолокации и связи приобретают дополнительное применение.

Рациональные методы решения электродинамических задач, дополнительные возможности вычислительной техники, появление новых высокотехнологичных материалов расширило область их применения и стимулировало к новому решению ряда классических задач электромагнитной дифракции и возбуждения. К таким задачам относится классическая задача дифракции электромагнитных волн на сферических телах. Дополнительно к имеющимся исследованиям и публикациям [1]-[3], получены новые результаты, которые, во-первых, потребовались для практических применений, во-вторых, расширили перечень данных, полученных ранее.

Некоторые актуальные направления задач дифракции на сферических телах, разработанные в диссертационной работе:

1 Результаты по дифракции электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах. Учитываются омические потери в металлических и диэлектрических элементах структур, устанавливается распределение токов на поверхности проводящих сфер, более тщательно исследованы фазовые характеристики полей, получены дополнительные результаты по рассеянию электромагнитных волн круговой поляризации падающего поля для гладких и многослойных сферических структур.

2 Исследуются полевые и мощностные характеристики рассеяния и поглощения тел с однослойным и многослойным укрытием, ставятся цели снижения эффективной площади рассеяния (ЭПР), использования сферических тел для калибровки и определения характеристик рассеяния реальных целей.

3 Рассматриваются новые материалы, как традиционные диэлектрики с экстремально низкими и экстремально высокими коэффициентами поглощения, так и принципиально новые материалы — метаматериалы.

4 В связи с широким распространением персональных средств связи, исследуется актуальная задача рассеяния и поглощения электромагнитных волн моделью частей тела, в частности, моделью головы человека — пользователя мобильным средством связи.

Цель диссертации — на базе использования тензорных функций Грина построить универсальный аппарат решения векторных задач электромагнитного возбуждения и дифракции для неоднородных сферических тел.

Расширить возможности расчета электромагнитных полей для любых подобластей сферических структур с учетом омических потерь.

Использование современных материалов, включая метаматериалы для решения актуальных задач СВЧ техники.

Исследование механизма и получение численных результатов, характеризующих взаимное влияние антенны мобильного средства связи и модели головы пользователя.

Объект исследования. Объектами исследования являются: металлические и диэлектрические сферы с учетом проводимости, омических потерь в материалахметаллические тела с защитными покрытиямиструктуры, содержащие метаматериалымодель, имитирующая голову человека — пользователя мобильным средством связи.

Методы исследования. Строгое электродинамическое решение задач дифракции, получение численных результатов с использованием разработанных подпрограмм расчета последовательности сферических функций Бесселя от комплексного аргумента.

Научная новизна.

1 Построен универсальный аппарат решения векторных задач электромагнитной дифракции на неоднородных сферических телах.

2 Использование ориентированных токов, напряжений, импедансов и адмитансов создало возможность универсальной и компактной записи решения в виде цепных дробей.

3 Предложенная запись тензоров Грина в замкнутой форме позволяет анализировать поля в любом слое структуры и за ее пределами.

4 Использование новых защитных материалов и метаматериалов позволило определить дополнительные возможности рассеяния и поглощения электромагнитных волн.

5 Построена и исследована электрофизическая модель головы человекапользователя мобильным средством связи при дифракции электромагнитных волн сотовых диапазонов связи (для выделенных диапазонов частот).

6 Решена электродинамическая задача возбуждения модели головы пользователя антенной мобильного средства связи.

7 Проведен расчет искажений антенных характеристик аппарата связи в выделенных диапазонах частот в присутствии модели.

8 Проведен расчет параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи в модели. В том числе коэффициента поглощения всей моделью.

9 Разработан эффективный алгоритм расчета последовательности функций Бесселя, Неймана и Ганкеля полуцелого порядка от комплексных амплитуд в широких пределах изменений индексов функций и значений аргумента.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается строгой постановкой решения электродинамической задачи дифракции. Для проверки правильности аналитического и численного решения используется частичная проверка результатов.

Практическая значимость диссертационной работы.

Рассеяние на сферических телах одна из немногих трехмерных задач, которая допускает строгое решение и в этом плане сфера может быть использована для калибровки эффективной площади рассеяния сложных объектов.

Для теоретических и модельных задач дифракции получены обширные численные результаты, которые позволяют, в частности, выявить дополнительные возможности по снижению или увеличению эффективной площади рассеяния в интересах решения задач радиопротиводействия и радиомаскировки.

По результатам исследования дифракции на модели головы человека сделаны выводы о влиянии положения антенны и рабочей частоты на эффект поглощения и изменения характеристик антенны.

Реализация и внедрение результатов. Материалы диссертационной работы используются в ряде профильных организаций Уральского региона. В частности результаты используются в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах отдела Открытого акционерного общества «Опытного конструкторского бюро «Новатор».

Полученные результаты используются при чтении курса «Направляющие системы электросвязи» на кафедре «Многоканальная электрическая связь" — «Безопасность жизнедеятельности», «Электромагнитные поля и волны» на кафедре «Общепрофессиональные дисциплины технических специальностей» УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ" — «Структура и организация линий связи» на кафедре «Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения», результаты исследований переданы на кафедру «Безопасность жизнедеятельности» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина».

Материалы диссертационной работы вошли в монографии: «Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах» — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. — 88 с- «Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами»: Монография. — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. — 117 с.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Десятой Всероссийской студенческой научно-технической Интернет-конференции «Информационные технологии и электроника» и Девятой отчетной конференции молодых ученых ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» (г. Екатеринбург, 2005 г.) — Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» (г. Екатеринбург, 2006 г.);

Международной конференции The First European Conference on Antennas and Propagation (г. Ницца, Франция, 2006 г.) — Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2007» (г. Екатеринбург, 2007 г.) — Второй Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2007» (г. Каменск-Уральский, 2007 г.) — Международной конференции The Second European Conference on Antennas and Propagation (г. Эдинбург, Великобритания, 2007 г.) — Международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2008» в рамках 5-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2008» (г. Екатеринбург, 2008 г.) — Международной конференции Metamaterials (г. Памплона, Испания, 2008 г.).

По результатам диссертационной работы имеются 16 публикаций, в том числе: 2 статьи в научно-технических журналах, включенные в список ВАК РФ, две монографии.

Положения, выносимые на защиту:

1 Универсальный метод решения векторных волновых уравнений в виде тензорных функций Грина для многослойных сферических областей при использовании ориентированных токов, напряжений, импедансов и адмитансов для сокращения записи формального решения задачи со многими подобластями и последующей алгоритмизацией численных процедур.

2 Новые результаты характеристик рассеяния и поглощения для проводящих и диэлектрических сфер.

3 Рекомендации по снижению или увеличению эффективной площади рассеяния тел с многослойными укрытиями. Численный синтез характеристик укрытий по заданным критериям рассеяния.

4 Выявлены дополнительные возможности рассеяния электромагнитных волн на телах из метаматериалов.

5 Электрофизическая модель головы человека (для выделенных диапазонов частот).

6 Численные результаты, выводы по рассеянию и характеристикам поглощения электромагнитных волн моделью головы человека.

7 Решение электродинамической задачи возбуждения модели головы человека антенной мобильного средства связи. Результаты расчета искажений антенных характеристик аппарата связи в присутствия модели.

8 Численные результаты расчета параметров поглощения электромагнитной мощности, излучаемой антенной аппарата связи в модели.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка работ, опубликованных по теме диссертации, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 124 страницы основного текста, содержит 152 рисунка, 7 таблиц, 6 страниц списка литературы (69 наименований), 8 страниц приложений.

6.6 Выводы.

В данной главе рассмотрены вопросы, связанные с рассеянием и поглощением электромагнитных волн сотовых диапазонов моделью головы человека, в частности:

В качестве модели головы человека, выбрана шестислойная сферическая структура. Модель построена на основе анатомических данных и результатов экспериментальных измерений характеристик живых тканей. Приведены характеристики слоев модели для трех распространенных стандартов сотовой связи: NMT-450, GSM-900, GSM-1800.

Приведены диаграммы рассеяния в главных плоскостях (<р = 0, nj2) для трех обозначенных стандартов сотовой связи. Форма диаграмм близка к осесимметричной. Главный лепесток сужается с ростом электрического радиуса модели (к0а). На высоких частотах (GSM-1800) уровень и число боковых лепестков увеличивается. На частоте 900 МГц Е0-составляющая имеет повышенный уровень боковых лепестков, что определяет самый большой (из трех диапазонов) коэффициент рассеяния apaQ =2.254. Характер диаграмм рассеяния сохраняется для on и кпв диагональной плоскости.

Отмеченный выше рост боковых лепестков диаграммы в стандарте GSM-900 привел к значительному увеличению потерь на образование кп в секторе углов 70° < (9 < 110°.

Для стандартов GSM-900, GSM-1800 существует несколько направлений, где уровень поля кп выше уровня поля on. Для попутного направления (9 = к) на любой частоте Е&bdquo-&bdquo- = Екп, что является следствием уникальной симметрии сферического тела. Этот факт, наблюдается также при дифракции на проводящих сферах.

Модель на частоте 900 МГц имеет наибольший коэффициент рассеяния и экстинкции. Это, по-видимому, связано с тем, что на этих частотах модель имеет максимальное приближение к резонансу (2а «0.54/^).

Анализ результатов показывает, что модель головы оказывает существенное рассеивающее действие. Приближенные оценки показывают, что до 40% излученной антенной мощности перехватывается моделью головы. Модель головы пользователя оказывает влияние не только на диаграмму направленности, но и на сопротивление излучения антенны — Rj., которое определяет излученную мощность.

Шестислойная модель существенно изменяет сопротивление излучения антенны по сравнению с сопротивлением излучения антенны в свободном пространстве. Значение сопротивления излучения антенны в присутствии шестислойной модели достигает значения сопротивления излучения вибратора в свободном пространстве при расстоянии между антенной и моделью 20 см и более.

Методика расчета позволяет определить параметры, характеризующие поглощение мощности, излучаемой вибратором, в отдельных слоях модели (удельный коэффициент поглощения SAR — specific absorption ratio).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1 При решении задачи дифракции используется универсальная запись тензоров Грина для многослойных сферических областей. Представление компонентов тензоров в виде цепных дробей способствуют алгоритмизации вычислительных процедур при расчетах.

2 Получены результаты о дифракционных характеристиках металлических и диэлектрических сфер. В частности, получены данные о дифракции на сферах с конечной проводимостью, определена мутация фазового центра при рассеянии.

3 Исследованы дифракционные свойства объектов, выполненных из мета-материалов. Выявлены аномальные явления рассеяния.

4 Исследовано влияние защитных материалов на эффективную площадь рассеяния сферических объектов. Выявлено влияние поверхностных волн в структурах на снижение эффективной площади рассеяния.

5 Исследовано рассеяние и поглощение электромагнитных волн принятой моделью — пользователя персональным средством связи. В качестве модели головы человека, выбрана шестислойная сферическая структура. Модель построена на основе анатомических данных и результатов экспериментальных измерений характеристик живых тканей. Основной электрофизической характеристикой является комплексная относительная диэлектрическая проницаемость слоев.

6 Для выделенных стандартов сотовой связи получены данные о диаграммах рассеяния, коэффициентах рассеяния и поглощения.

7 Поставлена и решена электродинамическая задача возбуждения модели головы человека антенной мобильного средства связи. Проведен расчет антенных характеристик электрического вибратора. Присутствие модели головы человека вблизи антенны существенно изменяет сопротивление излучения антенны по сравнению с сопротивлением излучения данной антенны в свободном пространстве. Кривая зависимости значения сопротивления излучения антенны от расстояния до центра модели имеет колебательный характер. С увеличением расстояния между вибратором и центром сферы, значение сопротивления излучения антенны асимптотически стремится к значению сопротивления излучения антенны в свободном пространстве. Влияние сферы становится пренебрежимо малым.

Присутствие модели вблизи антенны сотового телефона приводит к искажениям диаграммы направленности антенны аппарата связи. С учетом многослойное&tradeструктуры и высоких значений комплексной диэлектрической проницаемости отдельных слоев, модель обладает высокими экранирующими свойствами.

Основным фактором, способствующим уменьшению искажений антенных характеристик аппарата связи, является расстояние от антенны аппарата связи до модели.

8 Методика расчета позволяет определить зависимости значения напряженности электрического поля антенны от координат в слоях модели, поглощение электромагнитной мощности, излученной вибратором в слоях образования, то есть, определить параметры, характеризующие поглощение мощности, излучаемой вибратором, в отдельных слоях модели (удельный коэффициент поглощения SAR — specific absorption ratio).

9 Разработаны, опробованы и систематически применялись собственные подпрограммы расчета последовательности функций Бесселя полуцелого порядка от комплексного аргумента. При расчетах гарантировалась заданная точность вычислений.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1 Панченко Б., Глотов Е., Козлов С., Гизатуллин М. Электромагнитное рассеяние сферических тел, выполненных из материалов с мнимым и отрицательным коэффициентом преломления // Вестник УГТУ-УПИ. Информационные системы и технологии в радиотехнике, связи, автоматике и управлении: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, № 17 (69). — 323 с.

2 Панченко Б. А., Козлов С. А., Глотов Е. Н, Гизатуллин М. Г. Коэффициент рассеяния сферического тела из композиционного материала с отрицательным коэффициентом преломления // Вестник УГТУ-УПИ. Теория и практика радиолокации земной поверхности: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, № 19 (71).

3 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Рассеяние электромагнитных волн круговой поляризации на сферических телах // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических трудов. Выпуск 4 / Под редакцией Е. А. Субботина. — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2005. — 252 с.

4 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Поляризационные потери при дифракции электромагнитных волн на сфере // Теория, техника и экономика сетей связи: сборник научно-технических трудов. Выпуск 4 / Под редакцией Е. А. Субботина. — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2005. — 252 с.

5 Panchenko В., Glotov Е., Gizatullin М. Scattering and absorption of electromagnetic waves in inhomogeneous bodies // EuCAP, Nice, France, 2006, vol. 1, p. 218.

6 Панченко Б. А., Бачурин B.C., Гизатуллин М. Г., Глотов Е. Н. Современные аспекты задач электромагнитной дифракции на сферических телах // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗБ-ПРОМ 2006». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2006. — 500 с.

7 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Дифракция на диэлектрических сферах. Внутренняя задача // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 5 / Под редакцией Е. А. Субботина. — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2006. — 296 с.

8 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г., Игитханян Г. В. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн на неоднородных телах // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 5 / Под редакцией Е. А. Субботина. — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2006. — 296 с.

9 Panchenko В., Gizatullin М. Synthesis of plane and curved multilayer electromagnetic absorbers // EuCAP, Edinburgh, UK, 2007, p. 518.

10 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Дифракция электромагнитных волн на металлических и диэлектрических сферах — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. — 88 с.

11 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Синтез покрытий с минимальным рассеиванием электромагнитных волн // 2-я Всероссийская научно-техническая конференция «Радиовысотометрия-2007», Каменск-Уральский, ОАО «УПКБ «Деталь», 2007.

12 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Дифракция электромагнитной волны круговой поляризации на слоистой структуре // Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов. Выпуск 6 / Под редакцией Е. А. Субботина. — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. — 292 с.

13 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г., Глотов Е. Н. Дифракция плоской электромагнитной волны на проводящей сфере с поглощающим слоем // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ 2007» в рамках 4-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2007». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2007. — 464 с.

14 Panchenko Boris, Gizatullin Marat, Knyazev Sergey, Shabunin Sergey. Me-tamaterials using for radiation enhancing of coaxial transmission // Metamaterials, Pamplona, Spain, 2008.

15 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Воздействие электромагнитного облучения сотовых диапазонов связи на модель головы пользователя // Научные труды международной научно-практической конференции «СВЯЗЬ-ПРОМ.

2008″ в рамках 5-го Евро-Азиатского форума «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2008». Екатеринбург: ЗАО «Компания Реал-Медиа», 2008.

16 Панченко Б. А., Гизатуллин М. Г. Рассеяние и поглощение электромагнитных волн слоистыми структурами: Монография. — Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2008. — 117 с.