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

Вид материала

Содержание

Научный консультант
Ведущая организация
Общая характеристика работы
Научная новизна
Научная и практическая ценность
Обоснованность научных положений и выводов
Апробация результатов работы
Личный вклад автора
Положения и результаты, выносимые на защиту
Структура и объем диссертации
Краткое содержание работы
Основные результаты и выводы
Цитируемая литература
Список основных работ по теме диссертации

Подобный материал:

1 2 3

На правах рукописи

Шорохова Елена Анатольевна

ИЗЛУЧЕНИЕ И ДИФРАКЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

В ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ НЕОДНОРОДНЫХ

МАТЕРИАЛЬНЫХ СРЕДАХ

Специальность 01.04.03 – Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Нижний Новгород – 2009

Работа выполнена в ФГУП “ФНПЦ НИИ измерительных систем им. Ю.Е. Седакова” государственной корпорации по атомной энергии “Росатом”

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор

Нечаев Юрий Борисович (ВГУ, Воронеж)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Нефедов Евгений Иванович (ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва);

доктор технических наук, профессор

Ярыгин Анатолий Петрович (ФГНИИЦ РЭБ ОЭСЗ МО РФ, Воронеж);

доктор физико-математических наук, профессор

АЛГАЗИНОВ Эдуард Константинович (ВГУ, Воронеж).

Ведущая организация: ГОУ ВПО “Московский энергетический институт” (Технический университет) (МЭИ (ТУ), Москва)

Защита состоится 2 июля 2009 года в 15²⁰ на заседании диссертационного совета Д 212.038.10 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, Воронеж, Университетская пл., 1, ауд. 435.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета

Автореферат разослан “____”_________________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Маршаков В.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Проблема излучения электромагнитных волн антеннами, расположенными в различных естественных и искусственных неоднородных средах, а также создание адекватных теоретических моделей расчета характеристик таких антенн, по-прежнему, остается сегодня одной из актуальных задач радиофизики [1^*-3^*]. Интерес к этой проблеме возник давно и постоянно стимулировался потребностями и перспективами различных практических приложений. Радиолокация и радиосвязь с наземными, подземными и космическими объектами, зондирование окружающей среды и геофизика, включая подповерхностное зондирование земных недр, биология и медицина – все это области практического использования результатов исследований по обозначенной выше проблеме, которая также представляет значительный интерес и для общей теории излучения и дифракции электромагнитных волн.

В связи с постоянно растущими требованиями к разработкам радиолокационных, радиосвязных и других радиоэлектронных систем необходимо все время усложнять и совершенствовать теоретические модели и методы расчета технических характеристик создаваемых устройств. Важным элементом таких систем является антенна, разработке которой уделяется особое внимание. Это определяется тем, что окружающая среда (включая границы раздела сред и локальные близко расположенные неоднородности) оказывает значительное влияние на ее характеристики излучения. Кроме того, помимо антенны при разработке прибора того или иного назначения возникает целый ряд комплексных вопросов, связанных, например, с выбором рабочего диапазона частот или фиксированной частоты, с особенностями излучения, распространения и рассеяния радиоволн и т.д., от решения которых зависит практическая реализация всего устройства с заданными характеристиками. Поэтому весь комплекс электродинамических задач излучения и дифракции, возникающих при создании современной радиоэлектронной системы любого назначения, делает развитие соответствующей теории весьма актуальной задачей.

Принципиально важным для разработчика антенных устройств является наличие теоретических моделей, основанных на строгих аналитических методах решения соответствующих электродинамических задач (методе разделения переменных, методе собственных функций, методе функции Грина, преобразовании Фурье) [4^*] При этом теоретическая модель должна: 1) быть адекватной (т.е. должна учитывать, по возможности, все основные факторы, влияющие на работоспособность устройства); 2) использовать только стандартные библиотеки программ, что существенно облегчает разработку численных алгоритмов и программ расчета и 3) позволять проводить требуемые расчеты многопараметрических задач за достаточно короткое время. В этом смысле разработка аналитических моделей для ряда практических приложений также является актуальной задачей.

В 70-х годах прошлого века получило развитие новое направление науки и техники, связанное с эффектом нелинейного рассеяния радиоволн на объектах, обладающих нелинейными свойствами [5^*,6^*]. В основе эффекта нелинейного рассеяния лежит способность объектов не только рассеивать падающие на них радиоволны, но и преобразовывать их спектр, что позволяет решать ряд специфических прикладных задач. В первую очередь, это обнаружение объектов на фоне сильных переотражений от окружающих предметов, а также в условиях их маскировки и укрытия границами раздела сред, растительностью. Во-вторых, к задачам нелинейной радиолокации относятся задачи поиска людей, терпящих бедствие (в завалах зданий, снежных лавинах и т.д.), и маркировки объектов. В-третьих, эффект нелинейного рассеяния может быть использован для дистанционной диагностики состояния технических и биологических объектов. Несмотря на большие теоретические и практические успехи в этой области радиофизики, в настоящее время еще остается ряд принципиальных вопросов, ответы на которые помогут создать новые и модернизировать уже имеющиеся нелинейные радиолокационные системы различного назначения. С этим связаны актуальность и необходимость проведения дальнейших исследований в области разработки адекватных теоретических моделей для эффективного практического использования механизма нелинейного рассеяния радиоволн.

Проблема излучения и дифракции электромагнитных волн настолько широка и многогранна, что в зависимости от практического приложения она представляет собой отдельное исследование, требующее особых теоретических подходов. Так в последнее время достаточно активно проводятся исследования искусственных композитных сред (метаматериалов), обладающих пространственной дисперсией в СВЧ-диапазоне [7^*,8^*]. К таким средам относятся так называемые киральные среды, создаваемые искусственно путем равномерного размещения в изотропном магнитодиэлектрике проводящих частиц зеркально-асимметричной формы (например, цилиндров с проводимостью вдоль винтовых линий, разомкнутых колец, сфер со спиральной проводимостью,

-частиц,

-частиц и т.д.), размеры которых существенно меньше длины волны. Чтобы в среде существовала пространственная дисперсия, частицы в ней должны быть расположены на расстояниях порядка длины волны.

Особый интерес к исследованиям электромагнитных свойств киральных структур связан, главным образом, с возможностью их использования в СВЧ технике. Явление кросс-поляризации в киральной среде дает возможность создания частотно- и поляризационно-селективных фильтров, преобразователей поляризации, частотно-селективных защитных экранов и т.д.. Также известно, что киральность приводит к увеличению поглощения и уменьшению уровня прямого и обратного рассеяния электромагнитных волн по сравнению с магнитодиэлектрической (некиральной) средой. Это свойство связывают с перспективами создания малоотражающих и маскирующих покрытий летательных аппаратов в СВЧ-диапазоне. В литературе указывается на возможность использования киральных структур в качестве элементов интегральных схем и линзовых антенн. Несмотря на большой объем теоретических результатов, полученных за время изучения свойств киральных сред, до сих пор в литературе отсутствуют решения ряда классических дифракционных задач на объектах простой геометрической формы, имеющих большое прикладное значение. Поэтому дальнейшая разработка дифракционной теории киральных сред, основанной на строгих аналитических методах, является перспективным и значимым направлением развития современной прикладной электродинамики.

Обобщая вышесказанное, можно заключить, что в связи со многими практическими приложениями весьма актуальным является дальнейшее изучение вопросов излучения электромагнитных волн антеннами с учетом дифракции на близко расположенных плоских, цилиндрических или сферических неоднородностях естественного и искусственного происхождения. Решению такого рода задач и посвящена настоящая диссертационная работа, основными целями которой являются:

разработка аналитических моделей излучения диполя, расположенного вблизи изотропного проводящего магнитодиэлектрического цилиндра конечной длины и анизотропного цилиндра внутри плоского волновода;
создание теории трехмерной дифракции электромагнитных волн, возбуждаемых элементарными диполями, на киральных телах вращения;
развитие теории излучения электромагнитных волн круглой рамочной антенной с магнитодиэлектрическим сферическим сердечником на гармониках зондирующего сигнала;
разработка моделей излучения антенн с учетом влияющих на них факторов (границы раздела сред, поглощение в среде) для решения прикладных дифракционных задач радиолокации, радиосвязи и геофизики.

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем.

Предложены и разработаны теоретические модели, позволяющие учесть при решении дифракционных задач конечную длину круглого цилиндра, а именно:

получено в явном виде решение задачи излучения электромагнитных волн, возбуждаемых элементарным источником электрического или магнитного типов, с учетом дифракции на проводящем магнитодиэлектрическом цилиндре конечных размеров в дальней зоне [1-3];
найдено строгое решение задачи излучения электрического диполя, расположенного вблизи анизотропной цилиндрической неоднородности в плоском волноводе с идеально проводящими стенками [4-8].

Разработана теория трехмерной дифракции электромагнитных волн, возбуждаемых элементарными излучателями, на киральных телах вращения [9-14], включая однородной бесконечный круглый киральный цилиндр и киральную сферу, а также идеально проводящие бесконечный круглый цилиндр и сферу в конформных киральных оболочках.
Развита теория излучения электромагнитных волн круглой рамочной антенной с магнитодиэлектрическим сферическим сердечником на гармониках зондирующего сигнала. В том числе:

получены выражения для распределения тока и напряженности электрического поля, излученного на второй гармонике зондирующего сигнала [15-20];
предложено использовать искусственные метаматериалы с отрицательным значением вещественной магнитной проницаемости для создания перспективных антенн с нелинейной нагрузкой [21-23].

Разработаны модели излучения антенных систем различного назначения:

модель излучения антенны СВ-диапазона длин волн в виде электрического диполя, расположенного вблизи границы раздела атмосферы с плоской однослойной проводящей земной поверхностью [24-26];
модель излучения рамочной антенны с нелинейной нагрузкой дециметрового диапазона длин волн с учетом плоской границы раздела двух материальных сред [27-29];
модель излучения антенны бортовых радиолокатора и радионавигатора миллиметрового диапазона волн с учетом отражающих свойств земных покровов [30-32];
модель излучения антенны скважинного георадара в виде элементарного электрического или магнитного диполей, расположенных внутри бесконечно протяженного круглого магнитодиэлектрического цилиндра, включая исследование предельных случаев низких и высоких частот [33-36];
модель импульсного излучения элементарного источника с учетом дифракции на сферических границах раздела материальных сред [37].

Научная и практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем. Выполненные в диссертации теоретические исследования в научном плане дают основу для более глубокого понимания физических явлений, связанных с излучением антенн и дифракцией электромагнитных волн в различных средах. Развитые в диссертации теоретические методы расширяют возможности адекватного анализа и решения актуальных прикладных электродинамических задач и позволяют снизить степень идеализаций, используемых при создании теоретических моделей исследуемых физических явлений. Так, например, полученные и представленные в диссертации строгие решения ряда модельных задач дифракции на киральных телах вращения дополняют и обобщают дифракционную теорию киральных сред. Предложенные в диссертации модели, учитывающие конечные размеры магнитодиэлектрического цилиндра, представляют как научный, так и практический интерес для задач: i) радиолокации по определению отражательной способности летательных аппаратов и ii) геофизики по разработке скважинных приборов георазведки полезных ископаемых и других неоднородностей земных недр. Развитая в диссертационной работе теория рассеяния на антеннах с нелинейной нагрузкой при наличии сердечника и границ раздела материальных сред расширяет представление об особенностях излучения таких антенн и имеет большое прикладное значение при создании эффективных антенн для нелинейных радиолокационных систем.

Все представленные в диссертации теоретические модели разработаны на основе аналитических методов дифракционной теории. Это представляет особую ценность для разработчиков антенн и радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. Основными достоинствами аналитических представлений решений являются возможности: i) удобства и быстроты реализации численных расчетов; ii) получения явных зависимостей одних параметров задачи от других; iii) их проверки путем рассмотрения предельных случаев и сведения задачи к известным решениям; iv) их использования в качестве тестовых решений для задач, не допускающих аналитических представлений и реализуемых только с помощью численных методов.

Представленные в диссертационной работе результаты использовались и могут быть использованы в дальнейшем для разработки эффективных антенных устройств приборов геофизической разведки, нелинейных радиолокаторов, радиосвязных систем, а также для интерпретации экспериментальных данных по результатам измерений. Некоторые вопросы, рассмотренные в диссертации и связанные с исследованиями влияния границ раздела проводящих земных сред на характеристики излучения электрического вибратора, рассеяния радиоволн на шероховатых земных покровах, дифракции на цилиндрической неоднородности, являются частью научных исследований, проводившихся во ФГУП “ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова” Государственной корпорации по атомной энергии “Росатом” РФ в рамках НИР и НИОКР по разработкам антенны диапазона средних длин волн специального назначения, бортовых радиолокатора и радионавигатора миллиметрового диапазона длин волн, скважинного георадара. Результаты перспективных исследований, связанных с искусственными киральными средами и метаматериалами, могут быть использованы при разработке малоотражающих покрытий летательных аппаратов, радиопрозрачных вставок бортовых антенных систем, а также эффективных антенн с нелинейной нагрузкой для решения прикладных проблем нелинейной радиолокации. Созданная в диссертации модель импульсного излучения источника в сферически слоистой материальной среде может быть полезна для решения фундаментальной проблемы детектирования сверхэнергичных частиц космических лучей, для проблемы электромагнитных излучений в рамках сферической модели земля-атмосфера-ионосфера, а также в задачах электромагнитного экранирования радиоэлектронного оборудования и производственных объектов. Важным является то, что решения многих задач, представленных в диссертации, записаны в безразмерных параметрах безотносительно к частотному диапазону. Поэтому разработанные модели можно использовать для решения широкого класса прикладных задач, где данная модель является адекватной.

Полученные в диссертации результаты могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских и образовательных учреждений: ИПФ РАН, ИФМ РАН, НИРФИ, ННГУ им. Н.И. Лобачевского, МФТИ, МГУ, МГТУ им. Баумана, МЭИ, МАИ, ИРЭ РАН, ВГУ, ПГУТИ, ЮФУ, ТТИ ЮФУ, СПбГУ, НИЦ-2 4ЦНИИ МО РФ, ВИКУ им. А.Ф. Можайского и др.

Обоснованность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, опирается на:

применение апробированных методов электродинамики, теории антенн, теории излучения и дифракции электромагнитных волн;
использование стандартных апробированных приемов при анализе математических особенностей, возникающих в ходе решения задач;
совпадение полученных теоретических результатов с имеющимися экспериментальными данными и данными, рассчитанными с помощью пакета численного моделирования;
соответствие результатов, полученных в диссертации для предельных случаев, с известными решениями классических задач электродинамики.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской научной конференции “Распространение радиоволн” (Казань, 1999; Нижний Новгород, 2002; Йошкар-Ола, 2005; Ростов-на-Дону – Лоо, 2008), региональной конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2007), Международной научно-технической конференции “Радиолокация, навигация и связь” (Воронеж, 1998), Всероссийской школе-конференции по дифракции и распространению волн (Москва, МГУ, 1998), Международной конференции по теории и технике антенн (Москва, 1998), Международной конференции по математическим методам в электромагнитной теории (Харьков, Украина, 2000), Международной Крымской микроволновой конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, Украина, 2000, 2004, 2007), Международной научной конференции “Излучение и рассеяние электромагнитных волн” (Таганрог, 2001, 2005, 2007), Международной научно-технической конференции “Физика и технические приложения волновых процессов” (Волгоград, 2004; Самара, 2006, 2008), Международном суздальском симпозиуме URSI (Москва, 2004), Всероссийском симпозиуме “Радиолокационное исследование природных сред” (Санкт-Петербург, 2007), Международной научно-технической конференции ФРЭМЭ (Владимир, 2006), Международном симпозиуме по физике и технике микроволн (Харьков, Украина, 2007), конференции по радиофизике (ННГУ, 2008), а также на семинарах ФГУП “ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова”, НИРФИ и ННГУ им. Н.И. Лобачевского.

По теме диссертации опубликовано 56 основных работ, среди которых:

1 коллективная монография [21], 3 статьи в сборниках статей [15,35,44] и 27 статей в журналах (Радиотехника и электроника, Известия вузов. Радиофизика, Геофизика, Электромагнитные волны и электронные системы, Антенны, Физика волновых процессов и радиотехнические системы, Нелинейный мир, Journal of Applied Electromagnetism, Новые промышленные технологии) [1,2,4-7,9-12,16,24,26-28,30,33,37-43,45-47], 18 работ в трудах международных и Всероссийских научных конференций [8,13,17,18,22,23,25,29,31,34,36,48-54] и 7 – в тезисах докладов на конференциях [3,14,19,20,32,55,56].

Личный вклад автора выразился в следующем. Все основные результаты диссертации получены лично автором. 10 печатных работ опубликовано без соавторов. В работах с соавторами в диссертацию включены только те результаты, вклад автора в которые был определяющим и включал в себя: постановку задачи, разработку методик и алгоритмов ее решения, написание программ для расчетов и их проведение, формулирование основных выводов и результатов работы, а также оформление их в виде научных статей в журналы или представление в виде докладов на конференции.

Следует отметить, что все разработанные в диссертации алгоритмы реализованы автором в виде пакетов прикладных программ в среде MatLab, при написании которых использовались стандартные библиотечные подпрограммы расчета интегралов, а также специальных цилиндрических и сферических функций Бесселя и Ханкеля и функций Лежандра. Вычисление интегралов и суммирование рядов в бесконечных пределах выполнялось с контролируемой точностью 10^-3. Расчеты интегралов осуществлялись с учетом особенностей подынтегральных функций.

Положения и результаты, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие результаты и положения.

Решения задач дифракции электромагнитных волн на изотропном и анизотропном проводящем магнитодиэлектрическом цилиндре, позволяющие учесть конечную длину цилиндра в проводимых радиолокационных и геофизических исследованиях. С использованием полученных решений установлено, что:
- 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;
- в отличие от компоненты поля, форма азимутальных зависимостей продольной компоненты поля сильно зависит от положения точек передачи и приёма сигнала.
Теория трехмерной дифракции электромагнитных волн, возбуждаемых элементарными электрическими или магнитными источниками, на цилиндрических и сферических киральных структурах, позволяющая исследовать возможность применения киральных материалов в качестве малоотражающих покрытий летательных аппаратов в СВЧ-диапазоне. В рамках созданной теории показано, что амплитуда рассеянного сигнала сильно зависит от параметров киральной среды и при определенных условиях поле, рассеянное на киральных цилиндрических и сферических структурах, в 1,4 - 2 раза меньше поля, рассеянного на аналогичных магнитодиэлектрических структурах.
Теория излучения электромагнитных волн нелинейно нагруженной круглой рамочной антенной с магнитодиэлектрическим сферическим сердечником, позволяющая исследовать возможность создания эффективных нелинейных антенн с сердечниками в дециметровом диапазоне длин волн (в том числе из метаматериалов). В рамках развитой теории показано, что

наличие у антенны магнитодиэлектрического сердечника может приводить к увеличению сигнала, рассеянного на удвоенной частоте ЗС, на 7-8 дБ из-за резонансного переотражения сигнала внутри сердечника;
для относительно коротких антенн при отрицательных значениях вещественной магнитной проницаемости сердечника наблюдается значительное (до 2 порядков) увеличение амплитуды тока и электрического поля на второй гармонике ЗС.

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.

Blog