Введение к работе
Актуальность темы. Исследование и применение процессов возбужде
ния, распространения и рассеяния волн различной физической природы является
неотъемлемой составляющей развития науки и техники на современном этапе. К
наиболее часто используемым видам волн относятся упругие (звуковые и сейс
мические) и электромагнитные волны (радиоволны, свет, рентгеновские лучи и
др.). При этом из всех перечисленных видов волн наиболее широкое применение
находят электромагнитные волны, а среди них - волны радиодиапазона, что обу
словлено интенсивным развитием радиосвязи, радиолокации, радионавигации,
радиоуправления, телевидения и др. Свидетельством того, что актуальность при
менения волн указанного диапазона в различных областях человеческой дея
тельности, включая и военную, сохранится и в дальнейшем, является наблюдае
мая тенденция формирования универсальной информационно-
телекоммуникационной структуры - инфокоммуникационных комплексов. Это
подтверждается принятыми в 2003 году Федеральным законом №123 о связи,
Приказом №33 2006 года по Министерству информационных технологий, а так
же распоряжением 2007 года №1700-р Правительства Российской Федерации
«Концепция развития телерадиовещания в Российской Федерации на 2008-
2015 годы».
Формирование инфокоммуникационных комплексов определяет необходимость совершенствования существующих, а также разработку антенн новых типов. Это обусловлено тем, что эффективность работы данных комплексов во многом определяют входящие в их состав антенные системы. Так, непосредственно параметрами используемых антенн определяются помехоустойчивость, электромагнитная совместимость, экологическая безопасность, а в сетях военного назначения и живучесть объекта. При этом доля антенных систем в общей стоимости комплекса в зависимости от типа применяемой антенны составляет от 15% до 50% (соответственно для антенн земных станций спутниковой связи и антенн сетей связи VSAT).
Одним из перспективных вариантов построения антенны нового типа является объединение в единый излучающий раскрыв непосредственно излучающих элементов и несущей конструкции. Научный и практический интерес к данному варианту построения антенны обусловлен следующими обстоятельствами. С одной стороны, поскольку перераспределение электромагнитной энергии данной антенны в пространстве осуществляется построением на основе несущей конструкции открытой волноведущей структуры, обеспечивающей возбуждение направляемых волн требуемой амплитуды, то для разработки антенн данного типа требуется наличие возможности создания волноведущих поверхностей с требуемыми параметрами. С другой стороны, известно большое число вариантов построения открытых волноведущих структур, например, путем нанесения маг-нитодиэлектрических покрытий, которые для увеличения числа степеней свободны и расширения рабочей полосы частот обычно выполняются в виде многослойных, выполнением на металлической поверхности канавок или применением частотно-селективных поверхностей типа высокоимпедансных поверхностей. Известные успехи в производстве материалов дают возможность получать искусственные магнитодиэлектрики с требуемыми значениями относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей, включая и отрицательные значения. Кроме того, данный прогресс позволяет создавать для работы в радиодиапазоне многослойные покрытия с приемлемыми массогабаритными размерами.
Проектирование антенн с излучающим раскрывом, объединяющим излучатели антенны и несущую конструкцию, управление структурой поля в которых осуществляется на основе учета более тонких дифракционных явлений, что обуславливает необходимость разработки методов анализа возбуждения и рассеяния электромагнитных полей системами излучателей электрического и магнитного типов, расположенных вблизи несущих конструкций, представляющих собой, как показал анализ работ, цилиндрические металлические тела, вытянутые вдоль образующей с произвольным контуром поперечного сечения, например, мачты, башни, подвижные объекты.
Методам электродинамического анализа возбуждения и рассеяния электромагнитных полей, возбуждаемых системой излучателей на цилиндрическом теле с многослойным покрытием или при использовании более общего описания - импедансном цилиндрическом теле, посвящено значительное число работ, однако возможности известных методов являются ограниченными, поскольку аналитические модели структуры электромагнитного поля разработаны для наиболее простых с точки зрения теоретического анализа канонических тел - плоскости и тел вращения, а известные численные методы не позволяют выполнять волновой анализ структуры поля.
Таким образом, разработка эффективных методов анализа возбуждения и рассеяния электромагнитных полей системой произвольно ориентированных излучателей электрического и магнитного типов, расположенных вблизи открытых волноведущих структур, представляет собой неотъемлемую составляющую в комплексе вопросов по данному направлению.
Резкое увеличение общего числа радиоэлектронных средств приводит к повышению образуемого ими электромагнитного фона, следовательно, и к ужесточению требований электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, предъявляемых к антенным системам. Данное обстоятельство делает необходимым управление уровнем не только излучаемого антенными системами электромагнитного поля в пространственном секторе, но и рассеиваемого объектами. Указанные требования могут быть обеспечены лишь совокупностью антенн, что во многих практических случаях является нереализуемым. В связи с этим возникает необходимость разработки многофункциональных антенн, выполняющих различные функции с помощью одной апертуры.
Одним из вариантов построения многофункциональной антенны, обеспечивающей управление уровнем излучаемого и рассеиваемого электромагнитного поля, является описанная выше излучающая структура, включающая помимо излучателей соответствующим образом выбранную рассеивающую поверхность. При этом построение многофункциональной антенны должно учитывать не только влияние открытой волноведущей структуры на рассеиваемое объектом электромагнитное поле, но и закономерности влияния возбуждаемых в ней волн на характеристики излучения и согласования антенны. Как показывает анализ известной литературы, для импедансных цилиндрических поверхностей с произвольным контуром поперечного сечения данный вопрос является исследованным в неполной мере.
Таким образом, выявление основных закономерностей возбуждения направляемых волн, а также их влияния на характеристики излучения и согласования излучателей антенн, амплитудно-фазовое распределение в раскрыве антенной решетки является актуальным. Это в совокупности с разработкой научно-методического аппарата представляет собой фундаментальные основы для создания многофункциональных антенн радиоэлектронных систем различного на-
значения. Большой теоретический и практический интерес представляет также применение данных методов для разработки покрытий с более сложной конструкцией.
В связи с этим в качестве объекта исследования рассматриваются электромагнитные поля, возбуждаемые в открытых волноведущих структурах.
Предмет исследования - закономерности возбуждения и рассеяния электромагнитных полей открытых волноведущих структур.
Целью диссертации является создание обобщенной теории открытых волноведущих структур, включающей в себя:
эффективные методы анализа возбуждения и рассеяния электромагнитных полей системой произвольно ориентированных излучателей электрического и магнитного типов, расположенных как внутри, так и вне многослойного маг-нитодиэлектрического покрытия на круговом металлическом цилиндре;
научно-методический аппарат, содержащий формулировку краевой задачи, методы и алгоритмы ее решения для импедансных цилиндрических структур произвольного сечения, возбуждаемых произвольно ориентированными излучателями электрического и магнитного типов;
численно-аналитические методы вычисления взаимных сопротивлений вибраторов при использовании спектрального представления функции Грина;
результаты электродинамического моделирования и исследования основных закономерностей возбуждения направляемых волн, а также их влияния на распределение токов в излучателях антенны и их диаграммы направленности.
Рамки исследований. Рассматриваются линейные гармонические электромагнитные поля открытых волноведущих структур с постоянными параметрами. В работе не рассматриваются самостоятельные вопросы, связанные с созданием открытых волноведущих структур.
Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:
-
Создана обобщенная теория открытых волноведущих структур, представляющая собой развитие основных положений электродинамики на основе распространения результатов исследований, полученных при анализе полей открытых волноведущих структур с круглым поперечным сечением на случай произвольного контура поперечного сечения. В отличие от существующей в созданной теории обоснована необходимость обобщения, выполненного на основе использования единого подхода в описании электромагнитных полей для открытых волноведущих структур, образованных как многослойными покрытиями на металлическом цилиндре, так и поверхностями, реализующими импе-дансные граничные условия. Теория включает основные исходные положения, связанные с представлением дифракционных коэффициентов при спектральном представлении полей и токов, выделением характерных сингулярностей в сформулированных дисперсионных уравнениях и установкой соответствия их решений видам физически реализуемых волн, возбуждаемых в открытых волноведущих структурах.
-
Создан в рамках обобщенной электродинамической теории открытых волноведущих структур научно-методический аппарат, включающий в себя:
- разработанный строгий метод электродинамического анализа много
слойных открытых волноведущих структур с произвольным контуром попе
речного сечения, реализующий возможность полноволнового анализа возбуж
даемых и рассеиваемых полей. Данный метод позволяет в отличие от известных
при проведении исследований переходить от анализа полей многослойных структур к рассмотрению одно- или трехслойных эквивалентных структур;
впервые предложенный для многослойных открытых волноведущих структур переход от строгих граничных условий к импедансным условиям различных порядков;
впервые предложенное использование для открытых волноведущих структур с произвольным контуром поперечного сечения системы интегральных уравнений, формулируемых относительно как продольных составляющих поверхностных электрического и магнитного токов, так и относительно тангенциальных составляющих поверхностного электрического тока. Сформулированные системы интегральных уравнений позволяют проводить сопоставление получаемых результатов с известными для частных случаев геометриями, а также давать их простую физическую интерпретацию;
впервые предложенный численно-аналитический метод для решения краевых задач применительно к открытым волноведущим структурам на основе импедансных поверхностей, основанный на учете 2л —периодичности как параметров рассеивающих структур, так и возбуждаемых полей и токов. Использование данного метода в отличие от известных позволяет распространить закономерности, выявленные для полей открытых волноведущих структур с круглым поперечным сечением, на случай произвольного контура поперечного сечения.
Полученные интегральные уравнения и методы их решения представляют собой новый методический аппарат для эффективного анализа широкого класса открытых волноведущих структур, электродинамические свойства поверхности которых описываются с помощью обобщенной величины - тензора поверхностного импеданса.
-
Впервые предложен численно-аналитический метод, позволяющий определять взаимные сопротивления продольных вибраторов. Особенностью метода является раздельное вычисление выделенной аналитически сингулярности в поведении функции Грина и оставшейся части, представляющей собой подынтегральные функции с гладким ядром, что обеспечивает эффективную вычислительную реализацию алгоритма.
-
В рамках созданной обобщенной электродинамической теории выявлены закономерности возбуждения направляемых волн и взаимосвязь их характеристик с параметрами открытых волноведущих структур. На основе строгого анализа впервые получены оценки областей, в которых вклад данных волн является преобладающим. Установленные закономерности могут быть использованы для оценок влияния поверхностных волн на характеристики излучения и рассеяния импедансных структур.
-
С использованием созданной обобщенной электродинамической теории открытых волноведущих структур выявлены основные закономерности влияния данных структур на характеристики направленности и характеристики согласования расположенных вблизи структур вибраторных антенн. Выявлено, что поле поверхностных волн вызывает наибольшие изменения в характере зависимости взаимной связи излучателей в поперечной плоскости. При смещении излучателей в продольной плоскости влияние поля возбуждаемой поверхностной волны проявляется в появлении осцилляции, обусловленных интерференцией падающей и поверхностной волн. Период данных осцилляции совпадает с длиной возбуждаемой симметричной 7М-волны, а их амплитуда невелика в силу того, что сторонние источники (вибраторы) располагаются на достаточно большом
удалении от поверхности цилиндра. Показано, что отказ от учета поля поверхностных волн не позволяет формировать диаграммы направленности специальной формы с требуемыми параметрами. Так, глубина формируемого «нуля» диаграммы направленности в заданном направлении при отказе от учета поля поверхностных волн не превышает -15..-20 дБ. Показано, что открытая волнове-дущая структура, реализованная в виде радиопоглощающего покрытия, не ухудшает характеристики направленности расположенной вблизи антенной решетки продольных электрических вибраторов, работающей в низкочастотном диапазоне
Выявленные закономерности должны учитываться при создании антенных систем, расположенных вблизи открытых волноведущих структур.
Таким образом, разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное научное достижение в развитии радиофизики - создание обобщенной теории открытых волноведущих структур.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:
использованием обоснованных физических моделей и строгих (или с известными оценками сходимости) математических методов решения поставленных задач;
сравнением отдельных полученных результатов с расчетными и экспериментальными данными, приведенными в научной литературе;
предельными переходами полученных результатов в известные соотношения для идеально проводящих поверхностей или цилиндров малого и большого радиусов;
- внутренней сходимостью некоторых полученных результатов.
Научная и практическая значимость диссертации.
Научная значимость работы заключается в создании обобщенной теории открытых волноведущих структур, включающей в себя:
единый подход к исследованию открытых волноведущих структур, обеспечивающий возможность полноволнового анализа полей, возбуждаемых произвольно ориентированными излучателями электрического и магнитного типов;
алгоритм свертки, позволяющий сводить электродинамический анализ структуры с произвольным числом концентрических слоев к анализу одно- или трехслойных эквивалентных структур;
новую форму интегральных уравнений, сформулированных относительно тангенциальных компонент вектора плотности поверхностного электрического тока;
методы решения интегральных уравнений, полученных для открытых волноведущих структур, с выделением сингулярности функции Грина;
новое решение дисперсионного уравнения в задачах анализа открытых волноведущих структур;
новые закономерности, устанавливающие взаимосвязь между характеристиками полей излучения и направляемых волн с параметрами открытой волно-ведущей структуры.
Практическая ценность работы определяется созданными программными комплексами для электродинамического моделирования:
- различным образом ориентированных излучателей электрического и
магнитного типов в присутствии открытых волноведущих структур;
- характеристик рассеяния открытых волноведущих структур;
- антенных решеток различным образом ориентированных излучателей
электрического и магнитного типов, расположенных вблизи открытых волнове-
дущих структур.
Практическую значимость представляет также ряд полученных на основе строгого анализа численных результатов об условиях возбуждения направляемых волн и взаимосвязи их характеристик с параметрами магнитодиэлектриче-ского покрытия и величиной поверхностного импеданса.
Поставленные в диссертации задачи решались в ходе выполнения ряда проектов Министерства обороны, совместных НИР в различных отраслевых НИИ. Предложения по использованию импедансных структур для снижения радиолокационной заметности объектов, имеющих в своем составе антенные решетки, а также противодействия средствам радиолокационной разведки реализованы в службе РЭБ штаба РВСН при разработке предложений в программу вооружения и Государственный оборонный заказ по созданию ВВТ РВСН. Разработанная модель антенной решетки из крестообразных электрических излучателей, расположенных вблизи несущей конструкции в виде кругового цилиндра, реализована в виде программного обеспечения и использована в ФГУП «ГКБ «Связь» при разработке перспективных методов электродинамического моделирования антенных решеток, размещаемых на подвижных платформах. Программы для расчета характеристик направленности элементарных излучателей электрического и магнитного типов, расположенных вблизи импедансного кругового цилиндра, реализованы в учебном процессе Ростовского ВИ РВ и используются при проведении занятий по дисциплине «Электродинамика и распространение радиоволн». Внедрение результатов подтверждено документами.
Основные положения, выдвигаемые для защиты:
1. Научно-методический аппарат электродинамического анализа открытых волноведущих структур, реализованных в виде многослойных магнитодиэлек-трических покрытий на круговом металлическом цилиндре, включающий:
полученное на основе метода частичных областей и тензорного представления функции Грина в строгой форме решение задачи возбуждения кругового металлического цилиндра с многослойным магнитодиэлектрическим покрытием произвольно ориентированными излучателями электрического и магнитного типов;
преобразования, позволяющие описывать электродинамические свойства многослойного покрытия на основе эквивалентной одно- или трехслойной структуры;
преобразование строгих граничных условий для открытой волноведущей структуры в виде многослойного магнитодиэлектрического покрытия на металлическом круговом цилиндре к импедансным граничным условиям различных порядков;
характеристические уравнения, определяющие условия возбуждения поверхностных волн в магнитодиэлектрических и импедансных структурах. Для частных случаев цилиндров малого и большого радиусов получены аналитические соотношения, описывающие условия возбуждения поверхностных волн, для цилиндров резонансных размеров представлены результаты численных исследований данных условий;
основные закономерности влияния параметров магнитодиэлектрического покрытия и величины поверхностного импеданса на характеристики возбуждаемых волн.
2. Научно-методический аппарат электродинамического анализа открытых
волноведущих структур в виде импедансных цилиндрических поверхностей с
произвольным контуром поперечного сечения, возбуждаемых произвольно ори
ентированными излучателями электрического и магнитного типов, содержащий:
представление решения краевой задачи в виде системы двух интегральных уравнений, сформулированных относительно или двух продольных составляющих электрического и магнитного поверхностных токов, или тангенциальных составляющих поверхностного электрического тока, а также сравнение корректности и устойчивости получаемых на основе данных уравнений результатов решений;
применение различных методов решения интегральных уравнений, в частности, метода коллокации с использованием в качестве базисных функций как полинома нулевого порядка (кусочно-постоянные функции), так и полинома третьего порядка (кубические сплайн-функции), метода, основанного на использовании в качестве базисных функций решений соответствующих задач дифракции на канонических поверхностях;
впервые предложенный метод решения интегрального уравнения для цилиндрических структур произвольного сечения, основанный на использовании свойств 2л - периодичности структуры, являющийся модификацией метода Бубнова-Галеркина для рассматриваемых задач;
основные закономерности влияния величины поверхностного импеданса и параметров контура поперечного сечения цилиндрического тела на характеристики возбуждаемых волн.
3. Детальное исследование структуры электромагнитного поля в ближней
и дальней зонах, возбуждаемого продольным электрическим диполем:
- структура полного поля излучателя, определяемая свойствами отражаю
щей поверхности цилиндрического тела, может быть представлена тремя со
ставляющими, соответствующими полю пространственных волн, квазистатиче
ской составляющей, а также полю направляемых волн импедансной структуры и
имеющими различные зависимости от расстояния между точкой источника и
точкой наблюдения (г-1, р~2 и р-1 2);
определение границ областей, в которых наблюдается преобладание поля направляемых волн, относящихся к волнам дискретного спектра системы, над полем пространственных волн и квазистатической составляющей (волн непрерывного спектра). При этом данные границы отличаются от границ ближней и промежуточной зон и определяются положением точки полюса поверхностной волны относительно точки ветвления. В частности, показано, что чем ближе расположены данные точки, тем на больших расстояниях размещается нижняя граница;
результаты исследований влияния направляемых волн на распределение поверхностного электрического тока, возбуждаемого на цилиндрическом теле с произвольным контуром поперечного сечения, и связанное с этим изменение распределения полей элементарного излучателя в ближней и дальней зонах.
4. Совокупность новых физических результатов, полученных на основе
применения основных положений созданной обобщенной электродинамической
теории открытых волноведущих структур при исследовании характеристики из
лучения и согласования антенных решеток, а также на изменение характеристик
рассеяния в присутствии открытых волноведущих структур:
основные закономерности влияния импедансных свойств поверхности на распределение тока в излучателях, величину взаимного сопротивления излучателей и соответствующее изменение характеристик излучения и согласования элементов антенной решетки;
основные закономерности влияния полей открытой волноведущей структуры на формируемые диаграммы направленности специальной формы, в частности, на формирование глубоких провалов ДН в заданном направлении;
основные закономерности влияния полей структуры на эффективную поверхность и диаграмму рассеяния.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XXVII НТК «Теория и техника антенн» (Москва, 1994 г.); URSI Symposium on ЕМ Theory (St.-Petersburg, Russia, 1995 г.); Ill International Conference on Antenna Theory and Technique (Sevastopil, Ukraine, 1999 г.); Всероссийской НТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 1999 г.); IV Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2001 г.); Всероссийской НТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн», (Таганрог, 2001 г.); V Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2003 г.); II Международной НТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2003 г.); IV International Conference on Antenna Theory and Technique (Sevastopil, Ukraine, 2003 г.); Ill Международной НТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2005 г.); VI Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2005 г.); VII Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2007 г.); IV Международной НТК «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2007 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 74 научных труда, в том числе 45 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК, и 26 статей и тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских и Международных научных конференций, а также монография «Излучение и рассеяние электромагнитных волн слоистыми цилиндрическими структурами». Получен патент на изобретение и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Научные публикации [19, 20, 27, 29, 30, 32-34, 36, 38-42, 45, 46, 49, 50, 53, 57, 59, 61, 62, 74], в том числе 14 опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов на соискание ученой степени доктора наук, выполнены автором самостоятельно.
Научные публикации [1-18, 21-26, 28, 31, 35, 37, 43, 44, 50-52, 54-56, 58, 60, 63-73], 22 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов на соискание ученой степени доктора наук, выполнены в соавторстве, при этом:
публикации [1-18, 22-26, 28, 35, 37, 44, 47, 51, 52, 54-56, 58, 60, 63, 64, 69-72] сделаны соавторами на паритетных началах;
в работах [21, 31, 43, 48, 65, 67, 68, 73] лично соискателю принадлежат постановка задач, разработка электродинамических методов их решения, алгоритмов и программ, физическая трактовка полученных результатов;
в работе [66] соискателем для решения задачи предложен метод решения задачи рассеяния электромагнитных волн с использованием свойства 2л - периодичности функций, а также алгоритм его численной реализации.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, заключения и трех приложений. Она содержит 435 страниц машинописного текста, 99 рисунков, 22 таблицы, 542 формулы и список использованных источников, включающий 350 наименований.
Похожие диссертации на Обобщенная электродинамическая теория открытых волноведущих структур
