Моделирование электромагнитного поля излучающей апертуры

Статья посвящена вопросам численного расчета характеристик электромагнитного поля излучающих апертур. Излучающая апертура является универсальной электродинамической моделью, используемой при анализе специального класса антенн, в частности зеркальных и рупорных; исследовании явлений дифракции; планировании трасс распространения радиоволн; решении задач беспроводной передачи электрической энергии на расстояние. В соответствии с нуждами практики наибольший интерес представляет структура электромагнитного поля излучающей апертуры в промежуточной и дальней зонах. Однако теоретические решения соответствующих задач получить, как правило, затруднительно, за исключением некоторых частных случаев, относящихся к дальней зоне, что обуславливает разработку соответствующих вычислительных моделей. Цель статьи – обобщение и систематизация опыта разработки программного обеспечения для моделирования характеристик электромагнитного поля излучающих апертур в промежуточной и дальней зонах. В статье рассматривается подход к разработке вычислительной модели излучающей апертуры, позволяющей рассчитывать характеристики электромагнитного поля в промежуточной и дальней зонах, приводятся примеры получаемых результатов для случая круглой и кольцевой апертур, характеризующие структуру их электромагнитного поля. Даются примеры облетных диаграмм круглой апертуры. Продемонстрирован эффект «прожекторной» локализации электромагнитного поля в промежуточной зоне круглой излучающей апертуры и эффект взаимной компенсации соседних зон Френеля с использованием модели кольцевой излучающей апертуры. Разработана программа на языке С++ для расчета характеристик электромагнитного поля излучающих апертур в промежуточной и дальней зонах. Результаты работы могут быть использованы в качестве иллюстрационного материала при преподавании учебных дисциплин «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Устройства СВЧ и антенны».

1. Bruce R.A. Modeling of the electromagnetic radiation from shielded enclosures with apertures and attached wires in a real-world environment: dissertation. Doctor of Philosophy in Engineering. Durham: University of New Hampshire; 1997. 103 p. URL: https://scholars.unh.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2935&context=dissertation

2. Teniou M., Roussel H., Capet N., Piau G., Casaletti M. Implementation of radiating aperture field distribution using tensorial metasurfaces. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2017;65(11):5895−5907. https://doi.org/10.1109/TAP.2017.2751652

3. Serhir M., Geffrin J.-M, Litman A., Ribière-Tharaud N., Besnier P. Aperture antenna modelling by a finite number of elemental dipoles from truncated spherical field measurement: Experimental investigation. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2010;58(4):1260−1268. https://doi.org/10.1109/TAP.2010.2041157

4. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ: учебник для вузов. М.: Высшая школа; 1988. 432 с. ISBN 5-06-001149-6

5. Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Устройства СВЧ и антенны. М.: Радиотехника; 2006. 376 с. ISBN: 5-88070-086-0

6. Драбкин А.Л., Зузенко В.Л., Кислов А.Г. Антенно-фидерные устройства. М.: Сов. радио; 1974. 536 с.

7. Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебник для вузов. М.: Горячая линия-Телеком; 2004. 491 с.

8. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн: учебник для вузов. М.: Горячая линия-Телеком; 2004. 558 с. ISBN: 5-93517-073-6

9. Айзенберг Г.З., Ямпольский В.Г., Терешин О.Н. Антенны УКВ: в 2 ч. М.: Связь; 1977.

10. Ротхаммель К. Антенны: в 2 т.: пер. с нем. М.: ЛайтЛТД; 2007. 820 с.

11. Каганов В.И., Чык Б.Х. Беспроводная передача электрической энергии. Российский технологический журнал. 2020;8(6):47−53. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-6-47-53

12. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для вузов. М.: Наука; 1989. 544 с. ISBN 5-02-014033-3

13. Горобец Н.Н., Овсянникова Е.Е. Электромагнитные поля и волны вблизи апертурных антенн больших электрических размеров. Вестник Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина № 1115. Серия «Радиофизика и электроника». 2012;24:111−118.

14. Горобец Н.Н., Овсянникова Е.Е. Волновые процессы в прожекторном луче апертурных антенн. Прикладная радиоэлектроника. 2015;14(1):51−58.

15. Горобец Н.Н., Овсянникова Е.Е. Влияние размеров и формы излучающего раскрыва на характер пространственного распределения поля вблизи антенны. Вестник Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина № 1094. Серия «Радиофизика и электроника». 2013;23:51−59. URL: http://rbecs.karazin.ua/wp-content/uploads/vestnik/vestnik-1094.pdf