Применение функций Грина стратифицированных сред для расчета поля излучения антенн вблизи отражающей поверхности

Abstract

Рассматривается метод расчета электромагнитного поля, излучаемого апертурной антенной вблизи отражающей границы. Для анализа используется модель элемента Гюйгенса. Электромагнитное поле рассчитывается с использованием тензорных функций Грина, учитывающих неоднородную структуру среды под границей. В качестве источника рассматриваются электрический и магнитный токи. Стандартные программы электромагнитного моделирования, использующие численные методы решения, требуют определения компонентов поля во всей области выделенного бокса проектирования. Предложенный подход позволяет рассчитывать распределение амплитуды и фазы всех компонентов поля только в желаемой области. Параметры слоистой среды под отражающей границей учитываются в записи характеристических частей функций Грина, чем обеспечивается многократный выигрыш вычислительных ресурсов. Приведены картины электромагнитного поля, рассчитанные предложенным методом и в программе ANSYS HFSS. Показано, что использование объемной сетки дискретизации среды в программе ANSYS HFSS приводит к фантомным дефектам структуры поля, проявлению его асимметричности даже при симметричном положении источников. Приведены картины поля как для элемента Гюйгенса, так и открытого конца прямоугольного волновода для разных видов отражающей границы. Отмечена монотонность и физическая правдоподобность полученных решений. Рассмотрено изменение коэффициента отражения от границы с учетом кривизны фазового фронта излучателя в ближней зоне. Предложенная модель может быть применена для разработки отечественных программных средств электромагнитного моделирования.

We are examining a method of calculating the electromagnetic field emitted by an aperture antenna near a reflecting boundary using the Huygens element model. We utilize the Green’s tensor functions to calculate the electromagnetic field, considering the inhomogeneous structure of the medium under the boundary and taking into account electric and magnetic currents as a source. Unlike standard electromagnetic modeling, programmes that require determination of the field components in the entire area, our approach allows calculating the distribution of amplitude and phase of all field components only in the desired area. We also consider the parameters of the layered medium under the reflecting boundary in recording the characteristic parts of the Green’s functions, leading to multiple gains in computing resources. Our method and the ANSYS HFSS programme are used to calculate the electromagnetic field patterns. We found that using a volumetric sampling grid in the ANSYS HFSS programme leads to phantom defects in the field structure and its asymmetry, even with a symmetrical position of the sources. We present field patterns for both the Huygens element and the open end of a rectangular waveguide for different types of reflecting boundary. We assert the validity and physical plausibility of the obtained solutions. We also consider the change in the reflection coefficient from the boundary, taking into account the curvature of the phase in front of the radiator in the near zone. This proposed model can be used to develop domestic software for electromagnetic modeling.