с5_Беличенк..

СТРУКТУРА ПОЛЯ НАПРАВЛЕНИЙ ВЕКТОРА ПОЙНТИНГА В БЛИЖНЕЙ
ЗОНЕ НЕКОТОРЫХ СИСТЕМ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
В.П. Беличенко, А.С. Запасной, П. В. Шестаков
Национальный исследовательский Томский государственный университет
634050, Томск, пр. Ленина, 36
E-mail: zas_rff@sibmail.com
Обсуждаются особенности структуры поля направлений активной части интерференционной составляющей
вектора Пойнтинга в перекрывающихся эванесцентных полях нескольких систем излучателей. Эти системы
моделируются разнесенными в пространстве либо двумя электрическими диполями, либо электрическим и
магнитным диполями. При этом исследованием охвачены случаи различной взаимной пространственной ориентации
диполей. Полученные результаты представляют интерес с точки зрения изучения процессов формирования поля
излучения, обеспечения малых уровней электромагнитного поля в окрестности заданных точек ближней зоны, а
также в связи с разработкой новых методов ближнепольного радиоволнового зондирования сред и объектов.
В
работе
[1]
проведено
исследование
особенностей
структуры
интерференционных потоков энергии в эванесцентных (затухающих) полях систем
излучателей с целью выявления их роли в процессе формирования поля излучения.
Наряду с этим в литературе, см. например [2], активно обсуждается проблематика
создания областей с малым уровнем поля в ближней зоне систем излучателей. Этот
вопрос представляет самый непосредственный интерес как для сотовой связи, с точки
зрения обеспечения электромагнитной совместимости, так и с точки зрения
удовлетворения санитарных требований на пороговый уровень спектральной плотности
мощности, установленный соответствующими стандартами.
И в том и другом случаях представляется полезным проведение дополнительного
исследования, касающегося либо строения силовых линий электрического поля, либо
структуры поля направлений вектора Пойнтинга в ближней зоне систем излучателей.
Именно такое исследование проводится в данной работе в отношении простейших
комбинированных излучающих систем, содержащих разнесенные в пространстве либо
два электрических диполя, либо электрический и магнитный диполи. Пример такой
системы представлен на рис. 1. В данном случае электрические моменты p1 и p2
диполей сонаправлены. При этом предполагается, что частота токов, возбуждающих
диполи одинакова, а начальные фазы различные и допускающие управление их
разностью.
P(x, y, z)
Z
R
p1
Z
b
r

p2
Z
Y
X
Рис.1. Комбинированная излучающая система, содержащая сонаправленные электрические диполи
В отличие от [1], здесь не используются мультипольные разложения для полей
излучателей в сферической системе координат, а применяются интегральные
представления для компонент полей произвольного распределения токов в декартовой
системе координат [3]. Это обстоятельство позволило нам получить достаточно
простые, хотя и громоздкие, выражения для декартовых составляющих комплексного
вектора Пойнтинга S . Из этих выражений выделены интерференционные
составляющие S xint , S yint и S zint данного вектора. Например, в случае излучающей
системы, представленной на рис. 1, они имеют следующий вид
w
S xint 
yx  p1 p2 F2 ( R) F3 (r )  p2 p1 F2 (r ) F3 ( R )  
2
32 ik


 zx  p1 p2 F2 ( R) F3 (r )  p2 p1 F2 (r ) F3 ( R)  ,
S yint  
 p p F (r )( F
32 ik
w
2
1
 
2 3
1
( R)  x 2 F2 ( R)) 
 p2 p1 F3 ( R)( F1 (r )  x 2 F2 (r )) ,
 p1 p2F3 (r )( F1 ( R)  x 2 F2 ( R)) 
32 2ik
 p2 p1 F3 ( R)( F1 (r )  x 2 F2 (r )) ,
S zint  
w
1  ika  ika
1  ika  (ka)2 ika
3  3ika  (ka) 2 ika
e ,
e
F
(
a
)

e , F3 (a ) 
,
2
3
5
a2
a
a
где звёздочка означает комплексное сопряжение соответствующей величины; a –
расстояние от диполя до точки наблюдения P (x, y, z) (соответственно R для диполя с
моментом p1 и r для диполя с моментом p2 ),
F1 (a) 
R  r 2  b2  2rb cos , r  x 2  y 2  z 2 .
Исследование картины поля направлений именно интерференционных
составляющих активной части вектора Пойнтинга представляло для нас
первоочередной интерес. Если излучающая система не обладает осевой симметрией, то
детальное представление такой картины и ее анализ требуют большого объема
вычислений. Наличие осевой симметрии существенно сокращает вычислительную
работу.
В качестве примера на рис. 2 показано поле направлений активной
(действительной) части интерференционной составляющей вектора Пойнтига в
ближней зоне излучающей системы в виде двух коллинеарных электрических диполей
(выноска на рис.2а).
а)
б)
Рис.2. Структура поля направлений активной части интерференционной составляющей вектора
Пойнтинга (  – длина волны, разность начальных фаз токов в диполях: а)  / 2 , б) 0)
Структура указанного поля направлений в значительной степени определяется
соотношением величин начальных фаз токов в диполях. В частности, при разности
начальных фаз, равной  / 2 отчетливо видно, что в ближней зоне имеет место
выраженный перенос мощности за счет интерференционной части вектора Пойнтинга
от верхнего диполя к нижнему. В данном случае излучение нижнего диполя выполняет
роль своеобразной «подсветки», позволяющей в достаточно широких пределах
изменять режим облучения требуемой области, лежащей в ближней зоне системы
излучателей. Таким образом, в ближней зоне систем излучателей возможно
эффективное управление действительной частью интерференционной составляющей
вектора Пойнтинга (рис. 2б).
Отмеченная особенность может представлять интерес и в связи с разработкой
новых методов ближнепольного радиоволнового зондирования сред и объектов,
характеризуемых сильным поглощением [4-6]. Для решения существующих к
настоящему времени серьёзных задач в ближнепольной сканирующей томографии
сильно поглощающих сред в работе [4] предлагается специальная схема измерений.
Она использует возможности многочастотной СВЧ диагностики диэлектрических
неоднородностей в таких средах. При этом ключевую роль играет использование
жестко связанной системы источник-приемник. Существенно подчеркнуть, что
глубинная чувствительность обеспечивается при этом за счет привлечения целого ряда
факторов: частота зондирующего сигнала, размер апертуры приемной антенны, высота
уровня сканирования. В [5] построена теория ближнепольного зондирования
шарообразного контрастного объекта, а в [6] предложено проводить ближнепольную
диагностику сред и объектов среднего уровня разрешения с использованием
перекрывающихся эванесцентных полей систем излучателей.
Работа выполнена по программе повышения конкурентоспособности Томского
государственного университета и при финансовой поддержке гранта № 13-02-98025
регионального конкурса РФФИ (р_сибирь_а).
Список литературы
1. Беличенко В.П., Запасной А.С., Шестаков П.В. Роль эванесцентных полей в
процессе формирования излучения комбинированных излучающих систем // Оптика и
спектроскопия. – 2015. – Т. 118. – № 4. – С. 112-114.
2. Пермяков В.А., Корюкин А.Н., Михайлов М.С., Сороковик Д.В. О
формировании областей с малым значением электрического поля на конечном
расстоянии от системы излучателей // Журнал радиоэлектроники [электронный
журнал]. – 2013. – № 7. – http://jre.cplire.ru/jre/jul13/index.html.
3. Вычислительные методы в электродинамике/Под ред. Р. Митры. – М.: Мир,
1977. – 487 с.
4. Гайкович К.П., Максимович Е.С. О ближнепольной СВЧ диагностике
неоднородностей в сильнопоглощающих средах. Журнал радиоэлектроники
[электронный журнал]. – 2015. – №1. – http://jre.cplire.ru/jre/jan15/index.html.
5. Галин М.А., Резник А.Н. Дифракция квазистатического поля антенны на шаре в
задачах ближнепольной сверхвысокочастотной локации // Радиотехника и электроника.
– 2010. – Т. 55. – № 7. – С. 785-796.
6. Беличенко В.П., Запасной А.С., Шестаков П.В. Управление величиной и
пространственным распределением интерференционных потоков энергии в ближних
полях систем идентичных излучателей// Оптика и спектроскопия. – 2015. – Т. 118. – №
4. – С. 115-118.