Излучение и дифракция электромагнитных волн в естественных и искусственных неоднородных материальных средах

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Структура и объем диссертации Краткое содержание работы Основные результаты и выводы

Подобный материал:

• Реферат по проекту №1/2836, 24.84kb.
• Учебная программа по дисциплине теория и техника антенн толмачев А. И. Врезультате, 52.61kb.
• Урок по физике 11-го класса: "Свойства электромагнитных волн, распространение, 96.99kb.
• Реферат Отчет 32 с, 38.18kb.
• Преобразование электромагнитных волн в поле ускорений, 96.14kb.
• Б. М. Явление электромагнитной индукции при изучении электромагнитных волн, 48.02kb.
• Свойства электромагнитных волн. Распространение и применение электромагнитных волн, 186.43kb.
• Информация воз для населения о воздействии ионизирующего излучения Ионизирующее излучение, 91.79kb.
• Тема: Влияние искусственных и естественных электромагнитных колебаний на живые организмы, 54.27kb.
• Лазеры и лазерное излучение, 656.84kb.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из Введения, 4 глав, Заключения, Списка использованной литературы из 293 наименований и двух Приложений. Объем диссертации составляет 342 страницы основного текста, включая 87 рисунков и 2 таблицы.


Краткое содержание работы

Во Введении кратко освещено современное состояние исследований по теме диссертации и обоснована ее актуальность, сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко изложено содержание работы.

В первой главе диссертации на основе аналитических методов предложены две модели, позволяющие учесть конечную длину цилиндра при решении задач излучения и дифракции электромагнитных волн, возбуждаемых элементарными источниками. Так, в разделе 1.1 рассмотрено излучение электромагнитных волн, возбуждаемых элементарными электрическими или магнитными диполями, на магнитодиэлектрическом проводящем круглом цилиндре конечной длины. Отличительными особенностями предлагаемой модели от известных из литературы является совокупность следующих факторов: 1) учет конечной длины цилиндра; 2) учет электрофизических свойств (электрической и магнитной проницаемостей, удельной проводимости) цилиндра и окружающей его среды; 3) явный вид полученного решения.

В основе предлагаемого алгоритма лежит решение задачи дифракции на бесконечном круглом цилиндре, представленное в §1.1.1. Далее в §1.1.2 с помощью метода наведенных токов получены выражения для компонент полей, возбуждаемых радиальным электрическим диполем и рассеянных магнитодиэлектрическим конечным цилиндром, в дальней зоне излучения. С их использованием в §1.1.3 выполнены численные расчеты полного поля с учетом рассеяния на стальном цилиндре конечной длины. Здесь моделировался корпус летательного аппарата в виде конечного цилиндра, что необходимо учитывать при разработке бортовых радиолокационных систем. Показано удовлетворительное согласие полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными и рассчитанными с помощью пакета трехмерного моделирования CST для обеих Е и Н-плоскостей (рис. 1).

В
§1.1.4 исследованы ДН радиального вибратора, расположенного вблизи идеально проводящего круглого цилиндра конечной длины. Показано, что: i) с увеличением длины цилиндра появляются дополнительные лепестки ДН, а ее главный максимум, направленный в сторону части цилиндра большего размера, изменяет свое положение; ii) при удалении диполя на расстояние (где k₀ – волновое число свободного пространства, b – расстояние от источника до начала координат) от поверхности цилиндра его влиянием уже можно пренебречь.

Другая модель, позволяющая учесть конечные размеры цилиндра, предложена в разделе 1.2. В частности, здесь исследуется излучение электромагнитных волн элементарным электрическим диполем с учетом дифракции на анизотропной цилиндрической неоднородности, ограниченной сверху и снизу идеально проводящими стенками плоского волновода. Так как некоторые земные породы обладают достаточно высокой удельной проводимостью (особенно, если они влагонасыщенные и соленые), то с достаточной степенью точностью при решении такого типа геофизических задач можно использовать модель плоского волновода с идеально проводящими стенками. В отличие от ранее рассмотренных работ по этой проблеме в диссертации учтены анизотропные свойства цилиндрической неоднородности, что позволило выполнить численное моделирование, исходя из геофизической направленности предложенной модели.

В
§1.2.1 проводится краткий исторический экскурс по задачам, связанным с моделью цилиндра в плоском волноводе. Используя разложение источников и искомых полей по нормальным волнам плоского волновода с идеально проводящими стенками, методом разделения переменных в §1.2.2 получены точные выражения для электрического и магнитного векторного потенциалов и продольной компоненты напряженности электрического поля, которые представлены в виде двойных рядов, удобном для численных расчетов.

На основе строгого решения граничной задачи, полученного в §1.2.2, в §1.2.3 численно исследуется влияние анизотропии реальных геологических пород на продольную (относительно оси цилиндра) и азимутальную составляющие напряженности рассеянного и полного электрических полей (рис. 2). Установлено, что: 1) характер азимутальной зависимости компоненты поля в основном определяется поперечной составляющей тензора диэлектрической проницаемости анизотропной среды внутри неоднородности, а компоненты – продольной составляющей тензора; 2) в отличие от компоненты поля, форма азимутальных зависимостей продольной компоненты поля сильно зависит от положения точек передачи и приёма сигнала. В §1.2.3 также обсуждаются взаимодействие и взаимная трансформация ТЕ и ТМ мод, которые происходят на границе цилиндрической поверхности.

Выводы к первой главе диссертации сформулированы в разделе 1.3.

Глава написана на основе работ [1-8,38-42,48-52,55].

Во второй главе диссертации рассматриваются задачи дифракции электромагнитных волн, возбуждаемых электрическими или магнитными элементарными диполями, на киральных бесконечно протяженных цилиндрических и сферических структурах (однородных киральных цилиндре и сфере, идеально проводящих цилиндре и сфере в конформных киральных оболочках, рис. 3), допускающих аналитические представления. Отличительные особенности указанных моделей от ранее предложенных состоят в рассмотрении трехмерных задач дифракции электромагнитных волн от элементарных источников, а не плоской волны, и получении в явном виде строгих решений соответствующих задач без использования численных методов.

Рассмотрение данных задач начинается с анализа электромагнитных полей в безграничной однородной изотропной киральной среде (раздел 2.1). В §2.1.1 записаны основные уравнения и соотношения для киральной среды. Используя преобразование Фурье, в §2.1.2 рассмотрена задача излучения элементарных источников, расположенных в безграничной киральной среде. Показано, что элементарный электрический вибратор в киральной среде, в отличие от однородной изотропной магнитодиэлектрической среды, излучает все шесть компонент электромагнитного поля. Полученные выражения для излучаемых полей можно достаточно легко применить к электрическим источникам радиальной или азимутальной ориентации, а также нетрудно обобщить на случай элементарных магнитных излучателей.

С использованием классических методов разделения переменных, собственных функций, преобразования Фурье и разложения искомых полей по полям Бельтрами в разделе 2.2 исследуется дифракция электромагнитных волн, возбуждаемых элементарным электрическим или магнитным диполем, на бесконечно протяженном однородном киральном цилиндре. В §2.2.1 приводится строгое решение краевой трехмерной задачи дифракции для электромагнитных полей. На основе этого решения в §2.2.2 рассматривается двухмерная задача дифракции на киральном цилиндре и анализируются удельные эффективные поверхности рассеяния (ЭПР). Выполнен предельный переход к случаю дифракции на однородном магнитодиэлектрическом ц
илиндре, показавший соответствие полученных и известных решений.


С применением тех же методов в разделе 2.3 решена трехмерная задача дифракции на идеально проводящем цилиндре в конформной киральной оболочке, а именно, в §2.3.1 представлены методика и алгоритм решения данной задачи, а в §2.3.2 приведены результаты численного анализа. Рассмотрен предельный переход к дифракции на идеально проводящем цилиндре, показавший согласие полученных и известных решений. Установлено, что: i) амплитуда рассеянного сигнала сильно зависит от параметров киральной среды; ii) при определенных условиях поле, рассеянное на киральных цилиндрических структурах, меньше поля, рассеянного на аналогичных магнитодиэлектрических структурах, в  1,4 раза.

Исследованиям вопросов, связанных с дифракцией электромагнитных волн на киральных сферических структурах, посвящен раздел 2.4. В §2.4.1 через потенциалы Дебая записаны основные уравнения и соотношения для электромагнитного поля в киральной среде в сферической системе координат. Постановка граничной задачи дифракции и ее решение для однородной киральной сферы приведены в §2.4.2, а для идеально проводящей сферы в киральной оболочке – в §2.4.3. Выполнен предельный переход к случаю дифракции на магнитодиэлектрической и идеально проводящей сферах, также показавший согласие получившихся формул и известных решений. В качестве примера в §2.4.4 рассмотрено излучение радиального электрического диполя вблизи киральной сферы и идеально проводящей сферы в киральной оболочке. Показано, что при определенных условиях поле, рассеянное на сфере, может быть уменьшено за счет использования кирального покрытия почти в 2 раза (рис. 4).


О
сновные выводы ко второй главе изложены в разделе 2.5.

Глава 2 написана на основе работ [9-14].

В третьей главе диссертации исследуется излучение дециметровых электромагнитных волн нелинейно нагруженной круглой металлической рамкой со сферическим магнитодиэлектрическим сердечником (рис. 5 (слева), раздел 3.1) и круглой рамкой без сердечника, расположенной вблизи границы раздела двух материальных сред (рис. 5 (справа), раздел 3.2). Отличием первой задачи от ранее рассмотренных является учет магнитодиэлектрического сферического сердечника антенны при исследованиях нелинейного рассеяния на ней; особенность второй состоит в получении численных результатов, позволяющих выявить закономерности в поведении рассеянного сигнала на рамке, расположенной вблизи границ воздух-вода и воздух-проводящая почва.

В

§3.1.1 приводится решение задачи дифракции электромагнитных волн на магнитодиэлектрическом шаре. Распределение тока в рамке с сердечником на частоте зондирующего сигнала дано в §3.1.2. Распределение тока в рамке и электромагнитные поля, излучаемые рамкой с сердечником, на удвоенной частоте ЗС представлены в §3.1.3. Детальным численным исследованиям зависимостей рассеянного поля на второй гармонике ЗС от различных параметров задачи посвящен §3.1.4. Здесь выполнено сравнение результатов расчетов с имеющимися экспериментальными данными, показавшее их удовлетворительное согласие (рис. 6). Описано численное моделирование двух практических ситуаций, связанных с маркировкой объектов и поиском людей, терпящих бедствие. Установлено, что наличие у антенны магнитодиэлектрического сердечника может приводить к увеличению сигнала, рассеянного на удвоенной частоте ЗС, из-за резонансного переотражения сигнала внутри сердечника на 7-8 дБ. Также численно исследовано нелинейное рассеяние на рамке с сердечником из материала с отрицательным значением вещественной магнитной проницаемости. Получено, что для относительно коротких антенн (, где b – радиус рамки) при отрицательных значениях вещественной магнитной проницаемости сердечника наблюдается значительное увеличение амплитуды тока и электрического поля на второй гармонике ЗС (рис. 7). Все это позволяет проводить разработку эффективных антенн с сердечниками для нелинейных радиолокаторов.

О
собенности излучения кольцевой рамочной антенны с нелинейной нагрузкой в виде полупроводникового диода, расположенной вблизи плоской границы раздела двух материальных сред, изучаются в разделе 3.2. В §3.2.1 сформулирована постановка задачи, а в §3.2.2 даны основные соотношения для алгоритма по расчету поля, рассеянного на такой антенне. Результаты численного моделирования двух практических случаев, имеющих место при поиске людей, приведены в §3.2.3. Здесь показано, что: i) при увеличении высоты подъема антенны возрастает изрезанность функции распределения рассеянного поля от угла падения волны, объясняемая интерференцией прямой и отраженной от границы волн; ii) поле, рассеянное в обратном направлении на гармониках ЗС, при увеличении высоты подъема антенны локализуется в области меньших углов падения волны; iii) положение максимумов и минимумов рассеянного сигнала слабо зависит от значения диэлектрической проницаемости среды; iv) поле, рассеянное в обратном направлении на гармониках ЗС, не зависимо от угла падения волны ЗС, высоты расположения рамки над границей раздела, величины диэлектрической проницаемости среды и номера гармоники ЗС имеет периодический характер, что связано с использованием приближения слабой нелинейности. Выявленные особенности в характере нелинейно рассеянного сигнала необходимо учитывать при проектировании поисковых радиолокационных систем, создаваемых на основе эффекта нелинейного рассеяния радиоволн.

Выводы по третьей главе диссертации сформулированы в разделе 3.3.

Глава написана на основе работ [15-23,27-29,43,44,54,56].

В четвертой главе диссертации представлены модели излучения антенн для решения ряда прикладных дифракционных задач, которые были разработаны автором для проведения теоретических исследований на этапе проектирования антенных устройств в НИИИС и НИРФИ для приборов различного назначения. Особое внимание уделено здесь численному моделированию характеристик излучения антенн, расположенных в неоднородных земных средах с поглощением, для конкретных параметров задач, соответствующих условиям работы разрабатываемых устройств.

В разделе 4.1 приводится модель излучения элементарного электрического диполя, расположенного вблизи границы раздела атмосферы с плоской однослойной земной поверхностью. Особенностью данной задачи является получение методом наведенных э.д.с. удобных для инженерных расчетов качественных оценок выражений мощности и сопротивления излучения диполя в рамках рассматриваемой геометрии, а также их численный анализ для конкретных значений параметров, соответствующих условиям работы создаваемого устройства. В §4.1.1 сформулирована постановка краевой задачи и в интегральном виде записано ее строгое решение, приведены выражения для напряженности электрического поля, мощности и сопротивления излучения диполя. В §4.1.2 выполнен анализ численных расчетов (рис. 8), позволивший сформулировать технические требования к создаваемой антенной системе СВ диапазона длин волн специального назначения в части согласования антенны с окружающей средой. Данный раздел диссертации написан на основе работ [24-26].

Раздел 4.2 диссертации посвящен описанию модели излучения антенны бортовых радиолокатора и радионавигатора миллиметрового диапазона длин волн с учетом рассеяния на статистически неровных земных покровах. В отличие от работ других авторов здесь: во-первых, сделаны необходимые для проектирования разрабатываемых устройств количественные оценки ЭПР для некоторых типов земных поверхностей с использованием методов возмущений, касательной плоскости и двухмасштабной модели рассеивающей поверхности; во-вторых, при расчетах рассеянного поля учтена диаграмма направленности используемых бортовых антенн.


В
§4.2.1 рассмотрены основные методы расчета электромагнитных полей, рассеянных на статистически неровных земных покровах. Расчет удельной ЭПР в различных приближениях выполнен в §4.2.2. Когда размер неоднородностей земной поверхности много меньше длины волны, при расчетах ЭПР используется метод возмущений. В случае крупномасштабных по сравнению с длиной волны неоднородностей применяется метод касательной плоскости. Часто встречаются земные покровы со сложной структурой, где присутствуют как мелкие, так и крупные неоднородности. Тогда следует воспользоваться двухмасштабной моделью рассеяния. Получено хорошее согласие теоретических результатов по удельной ЭПР с имеющимися экспериментальными данными (рис. 9). Показано, что при малых углах падения волны на поверхность рассеянное поле определяется вкладом крупномасштабных неоднородностей; в переходной области углов (порядка 30^о) вклад крупных и мелких неоднородностей становится сравнимым, а при больших углах рассеяние обусловлено, главным образом, только мелкими шероховатостями. В §4.2.3 предложена теоретическая модель, учитывающая при расчетах рассеянного поля ДН бортовой антенны. В качестве примера рассмотрены однолепестковая ДН гауссовского типа и земные поверхности (асфальт, бетон, песок и снег) в виде квазиплоской периодической структуры. Представленные в разделе 4.2 результаты опубликованы в работах [30-32,45,46,53].


М
одель излучения антенны скважинного георадара в виде элементарного электрического или магнитного диполя внутри магнитодиэлектрического круглого бесконечно протяженного цилиндра представлена в разделе 4.3 четвертой главы диссертации. Предполагается, что диполи расположены внутри цилиндра радиуса , ориентированы вдоль оси этого цилиндра и смещены относительно этой оси (рис. 10). В отличие от других работ, где рассматривается задача возбуждения магнитодиэлектрического бесконечного круглого цилиндра, в диссертации кроме строгого решения для электромагнитных полей получены выражения для мощности излучения электрического и магнитного диполей (§4.3.1), а также достаточно подробно проанализированы важные для практических приложений предельные случаи. В частности, исследован случай достаточно низких частот, когда электрический радиус цилиндра меньше длины волны, который соответствует электромагнитному каротажу скважин в геофизических исследованиях (§4.3.2). Вместе с этим, изучен экстремально низкочастотный случай , имеющий важное практическое значение при разведке полезных ископаемых с использованием метода электрического каротажа. Показана возможность определения относительной диэлектрической или магнитной проницаемостей окружающей волновод среды по измерениям z-компоненты электрического или магнитного поля:

,

,

г
де К – полный эллиптический интеграл первого рода, и – амплитуды электрического момента электрического диполя и магнитного момента магнитного диполей, соответственно.

В другом предельном случае большого радиуса цилиндра подробно рассмотрена задача об излучении синфазной нити тока, расположенной внутри бесконечно протяженного круглого цилиндра с идеально проводящими стенками и заполненном магнитодиэлектриком (§4.3.3). Данный параграф диссертации написан на основе работ [33-36].

В разделе 4.4 диссертации предложена модель импульсного излучения элементарного источника, находящегося в сферически слоистой материальной среде. Разработанные алгоритмы и программы могут быть использованы при расчетах электромагнитных полей в задачах радиосвязи и детектирования в рамках модели Земля-атмосфера-ионосфера, а также в задачах экранирования радиоэлектронных устройств или других объектов. Совокупность таких факторов, как негармоническое излучение источника, учет электрофизических свойств сред, влияние сферических границ раздела сред, явное представление решения отличает предлагаемую модель от ранее известных. Алгоритм решения задачи, включая ее постановку, запись спектральных составляющих для излучаемого электромагнитного поля и временных зависимостей, записанных с использованием преобразования Фурье, приведен в §4.4.1. Результаты численных расчетов, выполненные в качестве примера для видеоимпульса с крутым фронтом и достаточно пологим спадом и показавшие работоспособность предложенного алгоритма, приведены в §4.4.2. Получено, что форма принимаемого сигнала сильно зависит от расстояния между источником и приемником: с уменьшением расстояния между источником и приемником возрастает амплитуда основного максимума излучаемого поля и происходит его обужение (рис. 11). Данный параграф диссертации написан с использованием работ [37,47].

В
разделе 4.5 обсуждаются некоторые возможности использования результатов данной главы в других прикладных электродинамических задачах.

В Заключении приведены основные результаты диссертации.

В Приложениях 1 и 2 записаны функции источника для всех типов элементарных излучателей в цилиндрической и сферической системах координат, соответственно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе аналитических методов в диссертации разработан общий подход к решению дифракционных задач на естественных и искусственных неоднородностях с плоской, цилиндрической или сферической слоистой структурой для проектирования перспективных антенных систем радиосвязи, радиолокации и геофизики. В том числе, в диссертации:

1. Получены в явном виде решения задач излучения элементарных источников с учетом дифракции на проводящем магнитодиэлектрическом цилиндре и анизотропной цилиндрической неоднородности в плоском волноводе, которые позволили учесть конечную длину цилиндра в проводимых радиолокационных и геофизических исследованиях. Установлено, что:
   

• расчетные данные, касающиеся ДН радиального вибратора вблизи стального конечного цилиндра, достаточно хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными результатами и результатами, полученными с помощью численного метода;
  
• в ДН для меридиональной плоскости по сравнению со случаем бесконечного цилиндра появляется боковой лепесток в области углов ; для азимутальной плоскости при расчетах поля можно использовать приближение бесконечного цилиндра, что согласуется с экспериментальными данными; при удалении диполя от поверхности цилиндра на расстояние, примерно в 5 раз большее радиуса цилиндра, при расчетах излучаемого поля влиянием цилиндра можно пренебречь;
  
• характер азимутальной зависимости компоненты поля, в основном определяется, поперечной составляющей тензора диэлектрической проницаемости анизотропной среды внутри неоднородности, а компоненты – продольной составляющей тензора; в отличие от компоненты поля, форма азимутальных зависимостей продольной компоненты поля сильно зависит от положения точек передачи и приёма сигнала.
  

2. Разработана теория трехмерной дифракции электромагнитных волн, возбуждаемых элементарными электрическими или магнитными источниками, на цилиндрических и сферических киральных структурах, в рамках которой:
   

• получены в явном виде строгие решения задач дифракции на однородном киральном бесконечно протяженном круглом цилиндре, на идеально проводящем бесконечном круглом цилиндре в конформной киральной оболочке, на однородной киральной сфере и идеально проводящей сфере в конформной киральной оболочке;
  
• рассмотрены предельные переходы полученных выражений к известным решениям, доказавшие их полное соответствие;
  
• показано, что при определенных условиях поле, рассеянное на киральных структурах, меньше поля, рассеянного на таких же магнитодиэлектрических объектах в 1,4-2 раза; обоснована возможность применения киральных материалов в качестве малоотражающих покрытий летательных аппаратов в СВЧ-диапазоне.
  

3. Развита теория излучения электромагнитных волн круглой рамочной антенной с нелинейной нагрузкой в части учета у антенны сферического магнитодиэлектрического сердечника, в рамках которой:
   

• получены в явном виде выражения для распределения тока и амплитуды рассеянного поля на второй гармонике ЗС;
  
• проведено численное сравнение полученных теоретических результатов с имеющимися экспериментальными данными, показавшее вполне удовлетворительное качественное и количественное согласие между ними;
  
• показано, что наличие у антенны магнитодиэлектрического сердечника может приводить к увеличению амплитуды поля, рассеянной на удвоенной частоте ЗС, на 7-8 дБ из-за резонансного переотражения сигнала внутри сердечника;
  
• обоснована перспективность использования материалов с отрицательной вещественной магнитной проницаемостью для создания эффективных нелинейных электрически коротких антенн с сердечниками в дециметровом диапазоне длин волн.
  

4. С использованием строгих и приближенных аналитических методов разработаны модели излучения антенных систем различного назначения, в том числе:
   

• модель излучения антенны СВ-диапазона длин волн в виде электрического диполя, расположенного вблизи границы раздела атмосферы с плоской однослойной проводящей земной поверхностью, что позволило уточнить технические требования к антенне в части согласования антенны с окружающей средой;
  
• модель излучения антенны бортовых радиолокатора и радионавигатора миллиметрового диапазона волн, которая позволила учесть отражающие свойства земных покровов и ДН антенны;
  
• модель излучения антенны в виде элементарного электрического или магнитного диполей, расположенных внутри бесконечно протяженного круглого магнитодиэлектрического цилиндра, что дало возможность оценить излучательные характеристики скважинного георадара;
  
• модель импульсного излучения источников с учетом дифракции на сферических границах раздела трех материальных сред, что позволило исследовать возможность создания детектора сверхэнергичных космических частиц.