Введение к работе
Актуальность темы и состояние вопроса. Импедансные нагрузки (ИН) первоначально использовались как средство уменьшения эффективной поверхности рассеяния (ЭПР). Составляя альтериатіту поглощающим и интерференционным покрытиям, они входили в состав структур, управляющих вторичным (рассеянным) полем. Задачей такого управления является изменение свойств объекта как переизлучающего источника, в такой степени, чтобы в нужном направлении получить минимум переизлученной энергии. Принципиальное отличие таких структур от покрытий состоит в том, что для изменения отражающих свойств объекта в рассматриваемом случае используется подклгочешіе ИН к локальной области, размеры которой значительно меньше размеров всего отражающего объекта.
Развитие исследований в области анализа рассеянного поля объектами с импедансными поверхностями (иыпедансными граничными условиями) показало, что с использованием ИН возможно создать разнообразные устройства в области сверхвысоких частот (СВЧ): направляющие структуры, поляризаторы, деполяризаторы, металлодиэлектрические линзы, рефлекторы с произвольной формой поверхности, частотно - селективные поверхности (ЧСП). Появление таких возможностей позлекло необходимость решения задач синтеза - отыскание требуемого распределения поверхностного импеданса, обеспечивающего заданные характеристики рассеянного поля.
В большинстве случаев в качестве базового элемента в конструкциях применяется ИН типа "прямоугольная канавка" в металлическом экране. Реализуемый таким образом эквивалентный поверхностный импеданс (ЭПИ) з случае электрически малой ширины зяеисит, главным образом, от величины глубины. Очевидным недостатком такой конструкции является сильная частотная дисперсия ЭПИ. Другой важный недостаток - незозмолскость реализации ёмкостного импеданса при электрической глубине, не превышающей четверть длины волны.
Как показали теоретические исследования, введение элементов связи между прямоугольной канавкой и свободным полупространством являється перспективным. Моделью в области низких частот может явиться колебательный контур с регулируемым коэффициентом связи. Уменьшение связи приводит к росту добротности контура, но вместе с тем и уменьшается вносимая реактивность. Подобрав некоторую оптимальную величину коэффициента связи, можно получить большое значение ЭПИ. Дальнейшим развитием может явиться введение связи между двумя объёмами, что аналогично связанным колебательным контурам. При этом следует ожидать расширения полосы частот, п которой ЭПИ имеет почти постоянное значение (уменьшение частотной дисперсии), либо уменьшения габаритных размеров ИН за счёт реактивности, вносимой второй областью.
Практически важным является исследование свойств отверстий в экране как элементов связи. Использование отверстий сложного поперечного
сечения на основе связанных прямоугольных областей (ПО) предположительно может также улучшить электродинамические свойства перфоріфованньгх экранов. Использоваїше явления резонанса іфиведет к улучшению частотно - селективных свойств таких экранов. В решётках на базе перфорированного экрана можно добиться перераспределения энергии между распространяющимися гармониками, и, следовательно, управлять диаграммой рассеяния.
Таким образом, актуальным является исследование на основе строгого электродинамического подхода возбуждения ИН в толстом идеально проводящем экране на основе связанных областей прямоугольного поперечного сечения. Конструкции, представляющие собой двумерную структуру как в виде полости, так и отверстия в плоском идеально проводящем экране в виде одной или нескольких ПО в поперечном сечении, называют щелевыми импедансными нагрузками (ЩИН).
Целью диссертационной работы является исследование электродинамических характеристик ЩИН на основе связанных ПО в виде двумерных полостей и отверстий в толстом экране.
Задачи исследования:
решение электродинамических задач возбуждения электромагнитной волной одиночной ЩИН и в составе бесконечных решёток в виде полости и отверстия в плоском экране методом интегральных уравнений для определения ЭПИ и коэффициента прохождения;
- алгоритмизация задач возбуждения для одиночной ЩИН и в составе
бесконечных решёток;
- изучение основных закономерностей ЭПИ и коэффициента
прохождения от размеров ЩИН.
Научная, новизна работы заключается в том, что в ней:
сформулированы и решены электродинамические задачи
возбуждения одиночной ЩИН и в составе решётки; —
алгоритмизированы задачи возбуждения и определения ЭПИ и коэффициента прохождения электромагнитным полем одиночной ЩИН и в составе решётки;
разработан пакет программ для расчета ЭПИ и коэффициента прохождения в зависимости от конструктивных размеров, частоты и угла падающей волны;
проведено численное исследование задачи возбуждения одиночной ЩИН и в составе бесконечной решётки в виде полости; изучено влияние конструктивных размеров ЩИН на ЭПИ;
проведено численное исследование задачи возбуждения одиночной ЩИН и в составе бесконечной решётки в виде отверстия; изучено влияние конструктивных размеров ЩИН на коэффициент прохождения электромагнитного поля;
выработаны рекомендации по выбору конструктивных, размеров
ЩИН для решения ряда задач: получения большого изменения ЭПИ от размеров одного из конструктивных размеров, уменьшения частотной и угловой дисперсии ЭПИ, конструирования ЧСП для решения задач электромагнитной совместимости.
Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:
- получение новых знаний в областях исследования структур с
поверхностным импедансом;
реализация алгоритма расчёта ЭПИ и коэффициента прохождения структур, выполненных на основе одиночной ЩИН и в составе бесконечной решётки;
выявление основных закономерностей поведения ЭПИ одиночной ЩИН и в составе бесконечной решетки от конструктивных размеров, частоты и угла падения волны;
выявление основных закономерностей поведения коэффициента прохождения одиночной ЩИН в виде отверстия и в составе бесконечной решётки от конструктивных размеров, частоты и угла падения волны;
определение конструктивных параметров ЩИН, обеспечивающих слабую зависимость ЭПИ от частоты;
исследование геометрии ЩИН, обеспечивающей малую толщину конструкции, пригодную в дециметровом диапазоне длин волн;
- определение электродинамических параметров ЩИН в виде
отверстия в экране, обеспечивающей частотную селекцию падающих
электромагнитных волн для решения задач электромагшггной совместимости;
- натурном исследовании уменьшения ЭПР цилиндрического тела в
более широкой полосе частот за счёт усложнения конструкции ЩИН.
Полученные результаты позволили заключить, что рассматриваемые конструкции ЩИН на основе связанных ПО могут служить основой для создания слабо диспергирующих замедляющих структур в технике твёрдотельных ламп бегущей волны миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, ЧСП в виде экранов бортовых систем подвижных объектов, решения задач уменьшения влияния конструктивных элементов на характеристики антенн.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в г/б НИР №13451 и г/б НИР №11052, проводившемися в соответствии с тематическим планом университета, и внедрены з АП НКБ "Міг/с" и ТРТУ, что подтверждено соответствующими документами.
Достоверность полученных результатов подтверждается проведённьши теоретическими исследованиями и вычислительными экспериментами: применением метода интегральных уравнений, использованием многократно проверенных математических моделей конструкции, применением метода моментов, результатами тестирования алгоритма для случая полости п виде одиночной канавки, полости в виде
прямоугольной области, отверстия в виде прямоугольной области.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладыватись и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:
- LII научная сессия, посвященная Дню Радио, Москва: РНТОРЭС им. А.С.Попова, 1997; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием "Компьютерные технологии в инженерной и управленческой деятельности", Таганрог: ТРТУ, 1997г; Всероссийская конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления", Таганрог: ТРТУ, 1997г; IV Всероссийская конференция студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления", Таганрог: ТРТУ, 1998г;
научно-практических конференциях профессорско-
преподавательского состава Таганрогского государственного
радиотехнического университета 1997-1998 годов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ.
Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов основного текста и заключения. Работа содержит 205с, в том числе 122с. основного текста, 41с. рисунков, список литературы из 42 наименований на 4с. и 33с. приложений.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Решения четырёх задач возбуждения одиночной ЩИН и в составе
бесконечной решётки, выполненных на основе как отверстия, так и полости,
составленных из областей прямоугольного поперечного сечения в идеально
проводящем экране;
2. Алгоритмизация задач определения ЭПИ и коэффициента
прохождения для монохроматической плоской электромагнитной волны
одиночной ЩИН и в составе бесконечной решётки, выполненных на основе
- отверстия или полости;
-
Основные закономерности поведения определяемых характеристик ЩИН в зависимости от размеров их конструкции, частоты и направления падающей волны;
-
Рекомендации по выбору параметров конструкции для обеспечения изменения ЭПИ в широких пределах и уменьшения частотной дисперсии ЭПИ;
-
Рекомендации по выбору параметров конструкции для получения ЧСП на основе плоского экрана.