Введение к работе
Актуальность работы. Изучение дифракции электромагнитных волн на планарных и периодических структурах является одним из основных направлений в современной радиофизике. В частности, широкое применение находят устройства, представляющие собой двумерно периодические решетки планарных отражателей на диэлектрической подложке, либо решетки апертур в металлическом экране. Оба типа структур бывают в многослойном исполнении, также встречаются и комбинированные структуры, в которых в различных слоях расположены микрополосковые отражатели и апертуры в экранах. Эти структуры получили название частотно-селективных поверхностей (ЧСП) и используются в качестве пространственных фильтров для квазиоптического разделения сигнала, поляризационных фильтров, антенных обтекателей, средств радиозащиты, а также ряда антенных диплексеров и пространственных фильтров, используемых в зеркальных антеннах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
Отдельного внимания заслуживает использование ЧСП в квазиоптических фидерах рефлекторных антенн метеорологических спутников. Применение ЧСП в этих устройствах позволяет существенно улучшить массогабаритные характеристики. Одновременно с этим к ЧСП предъявляются довольно жесткие требования. Так, например, радиометр Европейского Космического Агентства MASTER должен обеспечивать разделение диапазонов 294–306 ГГц, 316–326 ГГц, 342–349 ГГц при 20дБ отражении вне полосы и вносимых потерях не более 0.5дБ для уверенного детектирования слабых излучений молекул в атмосфере. Для минимизации вносимых потерь применяют апертурные ЧСП, позволяющие исключить диэлектрик и связанные с ним потери. Улучшение избирательных характеристик может быть достигнуто, в частности, использованием многоэлементных ЧСП, т.е. содержащих несколько отражателей (апертур) в одной элементарной ячейке периодической структуры. Проектирование такого рода устройств является актуальной задачей, решение которой сложно осуществить вне рамок строго электродинамического моделирования.
Кроме традиционных приложений теории дифракции на диэлектрических телах, в последние годы появилось новое – исследование в оптическом диапазоне наноструктурированных металлических пленок. Как известно, в этом диапазоне металл можно представить как диэлектрик с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости, причем мнимая и действительная части одного порядка. Это, естественно, приводит к тому, что приближение идеально проводящего металла для этих структур не справедливо и возникает необходимость рассчитывать поля внутри металлических пленок.
При расчете дифракции и распространения электромагнитных волн в структурах, содержащих неидеально проводящие тела, сверхпроводники, тонкие диэлектрические слои, часто используются приближенные граничные условия (ПГУ). Применение ПГУ позволяет избежать трудоемкого процесса расчета поля внутри проводников или диэлектриков, однако во многих случаях требует подтверждения, основанного на сравнении с результатами, полученными более строгими математическими методами, либо экспериментально.
Все вышеизложенное делает актуальным разработку эффективных методов расчета электродинамических характеристик планарных периодических структур.
Целью работы является теоретическое исследование процессов распространения и дифракции монохроматических электромагнитных волн на многоэлементных планарных и квазипланарных периодических частотно-селективных поверхностях, основанное на разработке и численной реализации эффективных методов решения краевых задач электродинамики.
Для достижения данной цели предполагается:
решить краевые задачи дифракции электромагнитных волн на указанных ЧСП;
разработать эффективные алгоритмы и компьютерные программы на их основе для расчета таких структур;
исследовать дифракционные свойства и амплитудно-частотные характеристики вышеупомянутых структур.
Научная новизна диссертационной работы определяется поставленными задачами, разработанными методами их решения, впервые полученными результатами и состоит в следующем:
предложены эффективные электродинамические методы анализа ЧСП, образованных несколькими концентрическими элементами круглой и кольцевой формы, а также ЧСП из прямоугольных апертур в экране конечной толщины. Теоретически исследована дифракция электромагнитных волн на таких структурах;
произведен учет конечной проводимости металла в задаче дифракции волн оптического диапазона на металлических нанорешетках из апертур круглой и кольцевой формы;
исследованы резонансы и аномалии частотных характеристик многоэлементных ЧСП в одноволновой и многоволновой областях;
исследовано явление «полного отражения», возникающее на границе двух сред с разными коэффициентами преломления, при наличии дифракционной решетки на границе раздела сред.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Электродинамические методы анализа дифракции на мультирезонансных решетках, образованных концентрическими элементами круглой и кольцевой формы, основанные на диагонализации парных сумматорных уравнений и использовании метода Галеркина с базисом, учитывающим особенность поля на металлическом ребре.
2. Численные результаты и физические закономерности, установленные при анализе дифракции электромагнитных волн на указанных структурах:
особенности влияния на дифракционные характеристики геометрических параметров резонансных элементов и их взаимного расположения;
влияние толщины экрана на дифракционные характеристики апертурных решеток, границы применимости приближенных формул;
результаты исследования тонких металлических наноструктурированных плёнок в оптическом диапазоне и эффект усиленного прохождения света через них;
явление «полного отражения», возникающее на границе двух сред с разными коэффициентами преломления, при наличии дифракционной решетки на границе раздела сред;
частотные зависимости коэффициентов прохождения пространственных гармоник в многомодовой области.
Обоснованность и достоверность полученных в диссертации результатов. Результаты исследований получены с помощью строгих электродинамических моделей для рассмотренных задач дифракции на различных ЧСП. Достоверность результатов подтверждена контролем внутренней сходимости решений, проверкой выполнения закона сохранения энергии, сравнением полученных результатов с известными расчетными данными, приведенными в работах других авторов, а также экспериментальными и теоретическими характеристиками ЧСП, приведенными в работах других авторов.
Практическая значимость работы определяется разработанными алгоритмами и созданным на их основе программным обеспечением для электродинамического анализа как апертурных, так и полосковых планарных и квазипланарных ЧСП, образованных резонансными элементами различной формы. С помощью разработанных программ были получены результаты, позволяющие повысить эффективность ряда антенных диплексеров и пространственных фильтров, используемых в зеркальных антеннах миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.
В связи с актуальностью решенных в диссертационной работе задач, все результаты могут быть успешно использованы в различных НИИ и КБ, а также на производстве для практического применения при создании радиометрических спутниковых станций, устройств для обработки и защиты информации, радиотехнических, радиолокационных, радионавигационных комплексов и систем радиосвязи.
Практическую ценность представленных результатов повышает тот факт, что некоторые результаты работы включены в рабочие программы лекционных курсов и специальных практикумов, входящих в учебный план физического факультета Южного федерального университета.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: II Межрегиональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, г.Ростов-на-Дону, 2004; 11-ая и 12-я Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г.Екатеринбург, 2005 и г.Новосибирск, 2006; Международная научно-техническая конференция «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» ИРЭМВ-2005, ИРЭМВ-2007, г.Таганрог, 2005, 2007; 11-th International Conference on «Mathematical Methods in Electromagnetic Theory» (MMET’06), Kharkov, Ukraine, 2006; Всероссийская научно-техническая конференция «Современные информационные технологии и оборудование». Москва–Тула, 2006; 5-я Международная научно-практическая конференция «ТелекомТранс-2007», г.Сочи, 2007; 6-th International Conference on Antenna Theory and Techniques ICATT-07, Sevastopol, Ukraine, 2007; 1-st international congress on advanced electromagnetic materials in microwaves and optics “Metamaterials-2007”, Rome, Italy, 2007.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 7 статей, из которых 4 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, 10 текстов докладов в сборниках трудов международных и всероссийских научно-технических конференций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Она содержит 181 страницу текста, 70 рисунков, 4 таблицы, список использованных источников, включающий 185 наименований.
