Электродинамическое моделирование рассеяния электромагнитных волн на плоскослоистых структурах содержащих управляемые решетки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Р Г £ вс^щжш государственная университет

На правах рукописи

2*0НГ т

АСТАПЕНКО Федор Петрович

УДК 621,395.67

ЭЛЕКТР0ДИНА!Д"1£СК0Е МОДЕЛИРОВАНИЕ РАССЕЯНИЯ Ш1ЕКГР0!МГ!ГЛТНЫХ ВОЛН НА ПЛССКОСЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ, СОДЕРЖАЩИХ УПРАВЛЯЙТЕ РЕШЕТКИ

01.04.03 - радиофизика

А п т о р о ф е р а т диссертации на оошкзлвс пеней Степана кянлидага фчтггл-ттзияг.песю'.х тук -

¡кпк

- 1091

Работа выполнена на кафедре электроники Воронемжого госу дарственного университета. «. - •

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Михайлов Г.Д.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Сазонов Д.И.

- кандидат физико-математических наук, доцент Дудкин В.П.

Ведущая организация - ИРЭ РАН (г.Москва)

Защита состоится " Ю94г. в ^ на ааседани

специализированного совета Д 063.48.06 при Воронежском государ ственноы университете по адресу:

334693, Вороне», Университетская Ш1.1, БГУ, Физический факультет

С диссертацией модно ознакомиться в библиотеке Воронедског госуниверситета.

Автореферат разослан

Учений секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук, профессор

Э.К. Алгазишь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. Управляемые плоскослоистые структура СС) находят широкое применение б радис 'ехнике, антенной и карательной технике различных диапазонов длин волн в качества плитудных и фазовых модуляторов, фазовращателей, аттенюаторов других устройств. В СВЧ диапазоне на их основе могут быть соэ-.ны управляемые обтекатели и отражатели антенн, ■ средства акт ив-и и пассивных помех. В инфракрасном диапазоне возможно исполь- ■ ■заяие а качестве поляризаторов и расщепителей луча; а такяэ з ¡честве зеркал, повышающих КПД накачки молекулярных лазеров. . В :димом диапазоне существует всгмозкность их использования в кол-ж.торах солнечных батарей' для-поглощения энергии в рабочей поло-. ? и отражения энергии вне ее. ■.

Создаваемые на основе 'ПСС твердые управляемые покрытия (ТУП) «валяют уменьшать радиолокационную зачетность наземных, вбздущ-к и космических объектов. Способ уменьшения радиолокационной • меткости зеркальной антенны импульсной РЛС с применением ТЛ1 а основе ПСС с переключаемым коэффициентом прохождения электро-агннтной золны по мощности основан на переключении ПСС в моменты Г'Иема и излучения собственного 'сигнала в состояние'прозрзчнсс-а в остальные моменты - в состояние непрозрачности или псг-сщэшк.

Свойство управляемой ПСС менять амплитуду и фзгу страченпс": элны позволяет зффектизно использовать-их в техника радяезлект-сннсго подавления в гачестаэ ретрансляторов' радг.олскэ^'.о'.пг-^'. игналов, воэдействуйцах на с?рэг.екшгй сигнал, в интересах у.х'/д- ' ения обнаружения, распознаййнхя и кзвзде:".:д управляемого сру-т. Так, на к: основе мсгут Снхь согдалы кыитаторы двияусжся ,елей в интересах радяопедавлеккл тактической ргйв^зь средсгга • огдазия многоточечных мерцавщ-.к ноуех з интересах заняты лггй-ельяых аппрратов от управляемого орудия с радисэлект ;• ойлым на-' .еденяем. •

Интересно отметить, что течки* сродзтэз кмест нггз£кг®Ъ.:г1. Фиктивности применения от дальности до псзавляекгй РЛС, югискнооти по упрпвлея;!» параметрит отред5иного сигнала,-

пропускнуп способность, гысскюз частоты модуляция а?/ллйг/дн г ¿азы отряженного сигнала, отсутствие япдедекп ретр-знолир&ят'тпго- •

го сигнала, высокую скрытность работы.

В настоящее время известно большое число работ, связанных с электродинамическим анализом задач рассеяния на металлических решетках и различного вида неоднородности« в свободном пространстве и в прямоугольных волноводах. При зтом подавляющее их число относится к строгому решению задач рассеяния на простейших одномерно-периодических решетках достаточно трудоемкими методами Ви-нера-Хопфа-Фока и Римана-Гильберта, в общем случае имеющих ограниченное применение.

Существуют и другие приближенные методы, основанные на применении теории периодических структур, использовании интегральных уравнений и вариационных методов. При формулировке интегральных уравнений наиболее эффективно применение тензорных функций Грина, что позволяет использовать единый подход к широкому классу задач. Аппарат тензорных функций Грина хорошо известен и описан в литературе. Однако, • данный методический под/ход широко применялся лишь для расчета простейших одномерных ненагруженных структур.

Задачи анализа и синтеза управляемых ПСС требуют разработки универсальной методики расчета характеристик рассеяния электромагнитных волн, применимой для произвольного количества управляемых и неуправляемых слоев, которая в настоящее время отсутствует. Существующие частные методик!! расчета характеристик рассеяния для каждой конкретной структуры используют свой путь решения и поэтому имеют ограниченное применение.

Таким образом, актуальность теш диссертация обусловлена необходимостью разработки единого методического подхода для исследования характеристик рассеяния электромагнитных волн на произвольных нагружанных плоскослоистых структурах.

Целью диссертационной работы является обобщение и развитие методического подхода, основанного на теории периодических структур, применении тензорных функций Грина и решении полученных интегральных уравнений вариационным методом Галеркнна, на более сложный в электродинамическом отношении класс плоскослоистых сред, состоящих из произвольного числа-управляемых и неуправляемых двумерно-периодических решеток, находящихся в многослойном ыагнитодиэлектрическом заполнении, а также создание математических моделей и методик расчета характеристик рассеяния электромагнитной волны на таких структурах.

зчия.

1. Разработать модель к приближенную вариационную методик/ ?шенкя задачи рассеяния злектромшчшт"ой волны на произвольных лоскослонстых структура?:, содержащих двумерно-периодические ре-етки металлических стержней, нагруленных сосредоточенными управ-яемыми полупроводниковыми элементами.

2. Исследовать рассеиваюсде свойства некоторых типов плос-ослоистых структур и определить оРшие принципы построения их эк-ивалентных схем.

3. Разработать строгую модель и методику расчета характерис-'ик рассеяния на основе применения метода частичных областей.

4. Определить границы применимости приближенной вариационной ¡етодики путем сравнения результатов, полученных двумя методами.

Б. Определить условия достижения предельных рабочих харзкте-жстик активной плоскослоистой структуры на основе двумерно-пери-здической решетки нагруденных стержней попарно-разных диаметров.

Истоды исследования. В качестве методологической основы при . решении поставленных в ,,иссертации задач использовались аналитически» и вычислительные методы математической физика, численные . м&годы электродинамики, а такие методы наганного моделирования1

Научнач новизна. На зкцмту выносятся оледухзуте основнкэ положения, впервые достаточно подробно развитые или впервые порученные в настоящей работе.

1. Приближенная вариационная методшсз расчета характеристик рзссеянкя электромагнитной волны на произвольных плоскосло-лсть:;; структурах, ссдерпатутх двумерно-периодические решетки, кагрухен-кые сосредоточенными элементами, основанная на применении теории периодических структур, применении тензорных функций Грина и рэ-е-г:;лл получгнкых интегральных уравнении вариоциоанга методом Гз-леркпна.

2. Результаты моделирования, расчетные соотнесения, экгнааг /енткке схемы некоторых типов плоскослоасткх сред, отразчакаг» за-авзимосп модуля и фазы козффпцдоотов отражения и передачи, эквивалентной проводимости от значений комплексного сспротнвлгт,:л язгруаки, геометрических ряркеров рс-сеток, параметров диэлектрических слоев к угла падения оЗлучзщеГг волны в широком частотной диапазоне.

3. Строгая методигл расчета характеристик рассеяния э'ектро-

магнитной волны на шюскоолснслых структур:-'.1'., основанная на применении метода частичных областей, заключавшегося в разбиении геометрии рассматриваемой структуры на простые смежные области, для каждой из которых можно получить рвшение волнового уравнения в виде бесконечного дискретного ряда пространственных гармоник-, проведении процедуры "сшивания" полей на границах частичных областей; получении исходной бесконечной системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных амплитуд ноли искомого поля, допускающей эффективное численное решение.

Значимость и практическая ценность состоит в том, что разработана универсальная методика расчета характеристик рас,сеяния электромагнитной волны на произвольных плоскослоистых структурах, на основе которой разработаны алгоритм и пакет прикладных программ, позволяющие без каких либо изменений хода рассуждений, путем соответствующей замены выражений для тензорных функций Грина, анализировать характеристики рассеяния не только на плоскослоистых структурах в свободном пространстве, но и в волноводах произвольного сечения. Полученные в работе алгоритмы могут быть использованы в системах автоматизированного проектирования при создании СВЧ устройств различного назначения, средств РЭП и модулирующих отражателей, а также в целях получения исходных данных при создании макетов и опытных образцов и проведении натурных испытаний и экспериментальных исследований.

■ Реализация научных результатов. Результаты диссертационной работы попользованы- в проводимых Б ЦНИИИ МО Р35 и Воронежским КБ антенно-фидерных устройств научно-исследовательских работах, выполненных на специальные теш, а также реализованы в учебном процессе в Еоронедском гооуйкверситете.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 1 Украинском симпозиуме "Физика и техника мм, оубмм радиоволн" ( Харьков, ИРЭ АН УССР., 1991); научно-техническом семинаре РНТО РЭС (Москва, 1992); научно-технических конференциях в Б ЦНИИИ МО РФ (Воронеж, 1990-1994); Саратовском государственном техническом университете (1993); вч 4Б807-Р/П (Курск, 1994); Всероссшской конференции по проблеме снижения эаметности (Воронеж, Б ЦНИИИ МО РФ, 1994); Международном научно-техническом семинаре "Теория и техника антенн" (Москва, А0"Радиофизика", 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных расписок их приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, : разделов, заключения, списка литературы и приложения, Работа 1ержйт 119 страниц, из них 85 страниц основного текста, 23 заниц рисунков, 7 страниц списка литературы, 2 страницы йршю-шя. Список-литературы содержит 110 наименований.

содержание работы.

Во введении к диссертации обосновывается актуальность рабо-, формулируются цель и задачи исследования и приводятся Ъснов-5 положения, выносимые на защиту.

В первом разделе на основе вариационного метода предложена годика расчета характеристик рассеяния электромагнитных волн на энзвольных плоскослоистых структурах, содержащих двумериоперйо-ческие решетки нагруженных стержней. Применение методики проил-. зтрировано на структуре 1, состоящей из решетки нагруженных' ержней и слоя диэлектрика в свободном пространстве (рис.1). Ме-цика состоит из следующих 'основных этапов;

- записывается граничные условия для тангенциальных состав-ющих магнитного поля на каждой из т границ неуправляемых слоев для'тангенциальных составляющих электрического поля на каждой -к границ управляемых слоев;

' и« + н^щ) =.нпамг) + нГ1ам2') + Н"С1Й),

. нпима) + нпаМ2') " нпиэ' - н5Пимэ). • '. '

Е11^) + ЕпЦм2'> + Епаа) - Е1,

- при помощи аппарата тензорных функций Грина из граличних ловий формируется система пнк •иктегралъ>1ых уравнений отпоей-льно йеиэвестных составляющих полей;

Нет + .1 Г]22уу Еи(г')(Й1' = - I ГП22уу Еи(Г')<Й1' +

+ I Гп22уу Et2(г')dS2' + 1 Ги21ух (Г')С13';

" Г Гп22уу ЕъгСг'^Э!' + Г Г^йЛуу ем(г')(15л' + ■

+ i гП21ух -ь. (г')сй' - - г г1и£2уу е«(г'?{й2'!

7 I Гп12ну Ём СГ*)Й51* + Г ГП12ху Е^О"^' + - + ! Гпцхх (г-)д2' -

- неизвестные распределения, магнитных п электрических полей I основе метода Галеркина представляются в виде рядов по пг"биш.1

- Q -

фушсципм, йоходя из физической сущности и геометрии задачи;

со cea охл

J3(r')*£ ImWm(x); Eti(r')=n: в,-,1П«'тп(ч-У)! Ei.a(r')=n: tv.nwmn(x,y); т=-м m.n®-» m,n=-i»

- система интегральных уравнений сводится к бесконечной системе линейных алгебраических уравнений относительно коэффициентов разложения, решение которой■ представляется в замкнутом виде и сводится к выражениям в виде быотросходящихся знакопеременных рядов. Основные особенности данной методики, обеспечивающие ее общий и универсальный характер, по сравнению с ранее имевшимися частными методиками расчета, являются следующие:

-.в расчетной модели выделяются плоссте области, соответствующие слоям, в которых на основе тенге! пых функций Грнна описываются поля непосредственно при формулировке интегральных уравнений, следующих из выполнения граничных условий; ,

- поле на нагрузке задается путем применения усредненного Нвазиотатического граничного условия, ранее использовавшегося в теории щелевых антенных рекеток, что позволяет получить решение в замкнутом ^вде, допускающем эффективное численное-решение.

d .

/ Zu'/d J J а (х) dx, 0 < х < d, y.A/2+R; ..

Ei 1 о • ;

^ ' 0, d.< К < A, y-A/2+R.

С помощью разработанной' методики получены выражения для расчета коэффициентов отражения (Г) я передачи (Í) и . эквивалентно!1 проводимости (Ycrp) рассматриваемой структура. Г - -1 + aooY'oo; т - -booVinoo: YCTp - .-i +'2/aoó'fIoo, где - . .

, H Н1 KynlZ> И К111.'2- КУП

Y'tr.n ---- ; УП1г-,п » .--—1—

и ио В1 и fio .в111

выражения, полученные из компонент тензорной функции Грина,- í ооо. boo - соответствующие ког-ффицненты разложение полей.

Полученные решения отражапт зависимость модуля и фазы коэффициентов отражения и передачи при двух значениях комплексное сопротивления переключаемого элемента (pin-диод КА503Л) от гсо метрпчэсют; размеров резотки, парщ>:етров дкэлектршеокаго слоя . пкроком частотной диапазоне (рио.2).

81. 82 i 83

h |

рис. .1.

KtI: i

1'

fc:

Ктй: 1

2' 3

■0

Уш1

сис. 3.

0 0.5 '

рис: 2,

к/л

В результате искусственных преобразований выражение для эк- •' лвалентной проводимое!.! структуры доведено до вида, допускающего рэдетавление решения в виде эквивалентной схемы. Последняя я едятся удобной для инженерного и физтаеского анализа и делает редстазляемые результаты более наглядными (рио.Э). Первый ' «дельный трансформатор с коэффициентом трансформации Kvi характери-ует электромагнитную связь двух полубесконечных диэлектриков с роницаемостями еьез, на границе газтормх находится управляемая >ешетка. Второй идеальный трансформатор с коэффициентам трансформации Кт2 характеризует электромагнитную связь при наклонном паянии годны системы параллельно подключенных шунтирующих емкостей >азрывбв ' стержней о сопротивлением Хш и собственно сспрот4»лвнш1 ¡мпедансной нагрузки 7„. Сопротивление Хо соответствует ипдуктпа-&м сопротивлениям проводящий стержней.

Еторой раздел посвящен исследованию раосейваюцг" свойсцй н^-гаторых типов управляемых плоскослсистых структур, имеющих раз-;ичное продольное строение (рис.4). Проведен шалив влияния пера-(етрсв управляемых и неуправляемых слоев ¡ш. характеристики ра^до-гаия в широком частотном диапазоне при нормально}!' и. наклонном па-,тэнли облучающей электромагнитной волны.

На основе предложенной методики расчета характеристик рэосв-гоия электромагнитной ■ волт получены аналитические выражения а

ДС1 УР Л-Ъ Э jurjj ДЦ* И' ЛСз ЛОа ûWi» УР №¿№¡>№4

Ul loi;

1 . h

«1 Зз

h£> -- L. ИЗ 2

---- — —------ -Z

83

t.

h,3

— a,-----

164

3 -Z

ДС1_дизлектг>ическип 1Р1-неупрашюемая .УР-управляеыая слоп Э—зкрян решоткп ре/штка

рис. 4.

замкнутом виде для коэффициентов отражения и передачи, зквивг лентной проводимости рассматриваемых типов плоскоолоиотых сре; содержащих в себе двумерно-периодическую решетку металличесга стержней, нагруженных сосредоточенными полупроводниковыми элеме] тами, и различное количество диэлектрических слоев и неуправлгч мых решеток.

Проведенные численные расчеты установили высокую вариацио ную устойчивость решений. Сходимость решения (г»1/пЗ) определяет сходимостью рядов для определения Хо,Хп, а такие сходимостью р

00 от

Хо -Е Mnn,!n"(Ynor.+Ylnon)/YsOn; Xm -Е MrTMrTCY^rm+Y1 nmn)/Y"«n

да," составленного из этих членов. Реализация методики на ЭВМ п казала, что.для обеспечения точности вычислений не ниже 1% дост •точно ограничиваться 5-7 т,п-членами для простейших и 15-20 р более сложных в продольном строении структур.

В результате численных расчетов выявлены предельные продол ные расстояния, исключающие взаимодействие по высшим типам Koi Оаkm":, которые являются границей применимости широко используем го при анализе метода эквивалентных линий передач. Решения, по; ченные в результате применения метода эквивалентных линий nef дач, остаются справедливыми при выполнении следующего услов! накладываемого на продольные размеры слоев: h/A>0,3. При относ тельных размерах h/A<0,3 результаты анализа необходимо коppeitï ровать при помощи вариационной методики, учитывающей влияние и ших типов колебаний на характеристики рассеяния.

Полученные результаты показывают, что более сложные струк: pu (2,3), содержащие в себе большее число неуправляемых слс( имеют более, стабильные характеристики переключения амплитуды

ípu отраженной и прс^дшей волн, причем данные характеристики зхразнготся в большей полосе частот (рис.2,5).

ITI

'v.v 1л

i

V/ ч

а 'Ч

i

\<

0.5 А/л

Полученное решение распространено на случай наклонного падё-шл волны и весьма удобно для исследования влияния' полярного Ö и азимутального V углов на характеристики рассеяния управляемых тлосксслоистых сред. В результате расчетов показано, что характеристики волны существенно зависят от ориентации векторов облучай-пои электромагнитной волны.

В третьем разделе определяются границы применимости предлагаемой вариационной методики и на основе применения метода .частичных областей приводится строгое рег.ейиэ задачи рассеяния-электромагнитной волны на плоскослоистой структуре, состоящее'из зледущих основных этапов:

рассматриваемая структура-разбивается на простые сиеяние с5-лзсти (рис.5) - область фиктивного волновода прямоугольного сечения (I), область металлического стержня с диэлектрически щшяд-рс.м, -сблацачппая осевой симметрией" (|z|<.A/2, Ö<x<A, 1 у 1 <Ä/E) "(И), область диэлектрического цилиндра (0<x<h, г<а) (III), область металлического стертая (h<x<A, г<а) (Гг), для каждой из которых модно получить решение волнового уравнения в виде бес!сонечного дискретного ряда пространственных гармоник: ■ •

О

ЕШХ«Е е

dkz jkz «» kpriz nity ' ркх

Erx » (e + Aoo e ) +IE Apn e sin—cos-

p,n=0 A A

® jmqi и рлх «в snx

Enx - E e E Тщр t fm(kpr) cos— + E XEmPS Bm(ksr) cos— ] m=-® p=Q ' A s=0 A

» Jirop » sitx

E Lms ftn(ksr) cos— 'm=-» s«0 h

°° jmip » ' sit(x-h)

e1yx -ее e Dms wn(kffir) cos—-

m=-oo s=o - A-h

Здесь Apn» Trwp, Ьтз, Dms - неизвестные амплитуды, fm(-). (•)i ■ Qrn(-), Wm(•) - функции, определяемые геометрическими и электрическими параметрами структуры. •

Входящие в уравнение коэффициенты трансформации XEmps, характеризуете трансформацию E-поляризованной волны с т-вариациями по азимуту и . р-вариациями по оси X в E-поляризованную Еолну о ш-вариациями по азимуту и s-вариациями по оси X определяются и~ матричного уравнения

АХ - В, где А -

получаемого при удовлетворении граничных условиг на поверхности раздела областей II,III,IY (рис.6). .

Ska bks

А - ... В -

Зпа Jna

X IE

II I IY I _ 1 ~

2Ь

DMC. 6.

рис. 7.

рис. 8.

Для определения характеристик рассеяния ввиду симметрии за-Гчи относительно оси z, структура разбивается на четную -(в плос-;с?л z=0 расположена магнитная, отенкя1 и нечетную (в плоскости =0 расположена электрическая стенка). Затем на границах частичек областей . проводится процедура "сшизания" полей и из условия авенства тангенциальных составлявших электрического поля на гранде раздела двух областей I и II (2--А/2) а равенства нулю ТШ1-енциальных составляющих электрического поля на стенках фнктивно-

0 волновода (уО,А) получается система линейках алгебраических равнений относительно искомых амплитуд-

± ± и ± £

Ттр 0р(У1.-А/2) - С АрП Wy(yi,-A/2)j 1-1,2,. . . ; 10," P-Q.1,.. ,Р

е-М П=-0 •

• ± ± Jkzi i :Jk2i

; T»p RpCO.Zi) + (e + Aoo e ) - 0;-Ы.2,..., h,' .p=0,l,.. ,P

1 --CO " •

Здесь Qp±,-Wp±, Rpi - функции,определяемые геометричеортда и ¡лектрическими. параметрами структуры. Знак "ri.-эс" соотяОтствуег 15тной задаче, а "минус"'- нечеткой.

Исходные бесконечные система линейных алгебраических, ураззнэ-путем проведения эквивалентных преобразований сводятся к cirô-r-n:s!4, долускаозкм эффективнее "я&»?нное решение.«

В результате решения системы линейны;', алгебраически* урезйе-й .позучэш значештл ¡юкплекеннх тэ£.5эд|&нтоз Ьтеггчтла лгз -теткой (Аоо+) и нечетлей (Ас©-) задач. Для поду'чйпе-го 'или определены параметры соответствующей зпзиаагейтвой t-cl-г-з-схемы_ (рко.7)

Пслученная в первом р-??;;?л? эквирзлентне^ схеиз (p.'ic.i) Д-л згёркневой регаэтки,- нг-чЬдящеЛол на стоке двух црлубгс:«я<?чюйс л*'-электртесглх слоев, приводится к-виду, пок£Занкс!/г/ к-\ Дгя

рпределеиия прр.?:«этроп оостгвтотвувй'зЛ Т-оЗраРКой cxe;ri посЗхсдп-мо подкаочить к ikçki'.:.'.» 3-3' нермировмиоэ сопрот1тясй:;э р;га?ского шииндра

"Jh/й57со ¡я:-Ji(ko а/с)

Zn » 7.дц ™ ------

2na Jа (ко я

При этом последовательное сопротивление Т-образного четырехполюсника (рис.7) равно последовательному сопротивлению в эквивалентной схеме шестиполюсника (рис.8), т.е. Х1 = 1С, а параллельное сопротивление вычисляется по формуле •- • 1ч {1ч, + 1н)

х? - +-;

1м + 2« + Т-н

Путем сравнения численных результатов, полученных на основе использования двух подходов, определены границы применимости предлагаемой вариационной методики для. расчета параметров рассеяния электромагнитной волны на плоскослоистой структуре. При. выполнении следующих относительных ограничений (Ь/2Ь<0.5, 2Ь/А<0.1), накладываемых на геометрические размеры нагруженной решетки, справедливо применение усредненного квазистатического условия, . а параметры эквивалентной схемы слабо зависят от параметров используемой нагрузки.

В четвертом разделе рассматривается применение вариационной методики . для определения условий, достижения предельных рабочих характеристик активной плоскослоистой структуры на основе двумер-.. по-периодической решетки стержней попарно-разных -диаметров, нагруженных лавиино-пролетными диодами.

Под качеством ПСС понимается величина К, связанная с действительными и мнимыми составляющими входного иммитанса среды и перёклячательного элемент^ ^в двух состояниях VI, 2-Т1, Г; 1, а, 2 (свойство инвариантности качества) . Та ' Т2 ^ ^ (п1-пг)Е

К = — + — + -:— = — + — + -:-

Те Т1 . Ьг 11 иьг

Под активной ПСС принимается среда, имеющая отр!щательную составляющую входного иммитанса. Известно, что качество устройс- _ тва равно качеству ПЭ для простейших нагруженных полосок или стержней одинаковой ширины или диаметра. Если же включить диоды в решеиш, которые расположены в одном сечении, либо на некотором расстоянии вдоль распространения волны, то существует возможность управления величиной качества путем варьирования диаметров стержней и расстояния между ними, вплоть до достижения оптимальной величины качества.

В целях проверки данного предположения применена вариацион- •

ш методика для расчета проводи,юсти структуры, состоящей из »умерно-периодической решетки металлических нагруженных стержней >ларно-разных диаметров, находящихся на стыке двух диэлектриков получены аналитические выражения, отражающие зависимость ка-ютва активной плоскослоистой среды от параметров слоев, комп-?ксного сопротивления нагрузки и геометрических параметров ре->ткп в широком частотном диапазоне.

В результате численных расчетов при варьировании геометри-;скнх размеров выявлены параметры структуры, при которых дости-• оы предельные характеристики рассеяния электромагнитной волны. 1тималънсе значение качества К=-2 достигается при параметрах юев Е1=е2=1 и относительных- параметрах решетки ,

Ь/Л=0.21, 1:г/Л»0.б2 и сохраняется в полосе частот 0.4<А/Л<0.В.

В заключении подведены итоги по диссертации з целом, сделаны Зщие выводы и сформулированы основные результаты. •

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ. '

1. Развит и обобщен методический подход, основанный на тео-м периодических структур, применении тензорных функций Грийа и гпекии полученных .интегральных уравнении вариационным методом злеркина, на более сложный в электрсдинамзгческом отношении класс тоокосяокстых сред, состоящих из произвольного. числа двумер-:>-периодических решеток, нагруженных управляемыми .элементами,, сходящихся в многослойном магннтодпэлектр'.г^сксм заполнении.

Универсальность методик;; состой? в том, что беп кзяах Лй5о ?менений хода рассуждений, путем соответствующей- эамеиы зырэк*-:й для тензорных функций Грина методика монет быть йспояьзовзка :я • анализа характеристик рассеяния не только на плоскослОйсты:; груктурач в свободном пространстве, но и п волноводах произзоль-зго сечения.

Данный методический подход является перспективны;* для рзпэ-и задач рассеяния на сложных периодически структурах как п зоСодном пространстве, так ¡1 в волноводах произвольного сечения.

2. На основе использования данного методического подхода порчено решение задачи рассеяния л создан эффективный числеянкй тгоритм и математический пакет машинных программ,- 'позволяющей с кокой точностью проводить моделирование рассеивающих' .сагйстя

произвольных плоскослоистых структур в широком диапазоне длин волн облучающей электромагнитной волны для различных электрических и геометрических параметров задачи при »."гадальном и наилонном падении.

В процессе моделирования рассеивающих свойств некоторых типов плоскослоистых структур выявлены следующие особенности!

- установлена высокая вариационная устойчивость решений. Сходимость решения (*1/п3) определяется сходимостью рядов для определения Хо.Хщ, а также сходимостью ряда, составленного из этих членов. Реализация методики на ЭВМ показала, что для обеспечения точности вычислений не ниже IX достаточно ограничиваться 5-7 т.п-членами для простейших и 15-20 для белее сложных в продольном строении структур.

- выявлены предельные продольные расстояния, исключающие взаимодействие по высшим типам колебаний, которые являются границей применимости'широко используемого при анализе метода эквивалентных линий передач. Решения, полученные в результате применения метода рчвиваленткых линий передач, остаются справедливыми при выполнении следующего условия, накладываемого на продольные размеры слоев: Ь/А>0,3. При относительных размерах Ь/А<0,3 результаты анализа необходимо корректировать при помощи вариационной методики, учитывающей влияние высших типов колебаний на характеристики рассеяния.

- более сложные структуры, содержащие в себе большее число диэлектрических слоев, млеют более стабильные характеристик пе-решаочения амплитуды и фазы отраженной и прозэдпей волн, причем данные характеристики сохраняются в большей полосе частот.

- решение раапрос ранено на случай наклонного падения волны и весьма удобно для исследования влияния полярного 6 и азимута ь-ного У углов на характеристики рассеяния управляемых плоскослоистых сред. В результате расчетов показано, что характеристики рассеяния существенно зависят от ориентации векторов налрлженноси электромагнитного поля относительно плоскослоистой структуры.

3. Определены границы применимости предлагаемой методики путей сравнения результатов расчета о результатами, подученными I результате более строгого решения трехмерной векторной 1здач1 рассеяния.'

Строгое решение получено на основе применения метода частич-

них областей. При этом геометрия рассматриваемой структуры разбивается на простые смежные области, для каждой из которых получено решение волнового уравнения в виде бесконечного дискретного ряда пространственных гармоник; затем проводится процедурз "сшивания" полей на границах частичных областей и численное решение бесконечной системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных амплитуд волн искомого поля.

Применение усредненного квазистатического условия, означающего, что вторичное поле решетки с импедансными нагрузками форми- ■ руется реактивными типами колебаний, создаваемой только металлическими стержнями, (при этом также не учитывается поле, создаваемое непосредственно нагрузкой,- и тем более взаимодействие ' волн, возникающих в нагрузке и на концах стержня), остается справедливы;,! при выполнении следующих относительных условий: отношение величины разрьша стержня к диаметру меньше 0.5, отношение диаметра к периоду решетки не превосходит 0.1.

4. На основе предложенной методики расчета характеристик-рассеяния электромагнитной волны получены аналитические выражения з замкнутом виде для расчета коэффициентов отражения и передачи, -эквивалентной проводимости и величины качества для активней длос- -кослоистой среды, состоящей из двумерно-периодической решетки стержней попарно-разных диаметров, нагруженных лаашно-прйгетинми '-. диодами и расположенной в стыке двух диэлектриков. В результате численных расчетов при варьировании гёсметрэтесккх 'размеров для цачной структуры выявлены параметры, при которых достигаются Ггре— ' цельные характеристики рассеяния злектромггнитноп волны. Сатп-мзльное значение качества достигается при относительных йарачет- • зах решетки Ri/f?2=0.27, ti/A-0.21, to/A=0.62 и сохраняется в покосе частот 0.4 < А/л < 0.6'.

Результаты анализа показали, что для создания активной ПСС о : оптимальным значением качества К=-2 нет необходимости проводить зпецкальнке исследования по ссгдаакя новой элементной Сазы.' Достаточно ограничиться схемотехнический'решениями путем включения' з состав управляемых решеток двух активных элементов.

Задачами дальнейших исследований являются:

- распространение предлагаемого методического подхода для расчета характеристик рассеяния электромагнитных волн на управляг 5мых плоскослоистых структурах в волноводных областях с раз"1чны-

ми профилем границ и при наличии потерь в магнитодиэлектрических слоях;

- распространение предлагаемого методического подхода для расчета характеристик рассеяния электромагнитных еолн на управляемых плоскослоистых структурах при наличии распределенных управляемых сегнетоэлектрических пленок.

Полученные в работе алгоритмы могут быта использованы в системах автоматизированного проектирования при создании СВЧ устройств различного назначения, средств РЭП и модулирующих отражателей, а-также в целях получения исходных данных при создании макетов и опытных образцов и проведении натурных испытаний и экспериментальных исследований.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Астапенко Ф.П., Михайлов Г.Д., Ушаков Д.М. Электродинамичес-. кий анализ управляемой-плоскослоистой структуры. // В кн. "1 Украинский симпозиум "Физика и техника мм, субмм радиоволн" (тезисы докладов) 1. - Харьков, ИРЭ АН УССР, 1991.

'2. Астапенко Ф.П. ; Михайлов Г.Д. Анализ электродинамических характеристик управляемой плоскослоистой среды. // В кн. "распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных среда::", - М.:-РНТО РЭС им.А.С.Попова, 1992.

3. Астапенко О.П. Дифракция волны на управляемой плоскослоистой

• структуре. // Воронеж, вч 33872, сб. "Тезисы докладов 18 НТК аспирантов, адъюнктов к молодых ученых", 1993.

4. Асталек.-ю Ф.П, Михайлов Г.Д.. Методика расчета управляемых покрытий, предназначенных- для создания - пассивных средств защиты ВВТ от высокоточного (_ружия. // Воронеж, еч 33372, Научно-методический сборник, 1993.

5. Астапенко Ф.П., ЛюСитов В.Ю. Математическое моделирование регулирующих устройств в микрополосковых линиях передач. // Сборник материалов по проектированию. Сер. Радиосвязь, радиовещание, телевидение. 4.2 ' Минсвязи России. - М. : ГСШ Р1В, 1993.

6. Астапе2!ко Ф.П., Добитов В.Ю. Методы расчета управляемых микроэлектронных устройств СВЧ с распределенными управляемыми элементами. //• Сборник материалов по проектированию. Сор. Радиосвязь, радиовещание, телевидение. Ч.З / Минсвязи России. - М.

• ГСГО1 РТВ, 1993.

'. Астапенко Ф.П., Любитов В.Ю. Расчет микроэлектронных уст-ютн СВЧ на основе управляемый пленок в микрополосковой линии. В кн. "Тевисы докладов НТК-93" - Саратов: СГТУ, 1993. !. Астапенко Ф.П., Воронов В.А., Михайлов Г.Л- Средства и спо-;ы уменьшения радиолокационной заметности антенных систем. // шеи докладов на НТК вч 45607-Р/П Курск, 1994. !. Астапенко Ф.П. Предельно достижимые характеристики управляе-: покрытий с усилением отраженного сигнала. // Воронеж, 5 ЦНИКИ F®, сб. "Тевисы докладов 19 НТК аспирантов, адъюнктов и-моло-; ученых", 1994.

:Q. Астапенко Ф.П., Михайлов Г.Д. Математическое моделирование ¡сеяния ШВ на управляемых покрытиях в целях создания нетради-знних средств снижения заметности. // В кн. "Всероссийская конвенция по проблеме снижения заметности ВВТ", - Воронеж, 5 ЦНЮ01 KS, 1994.

11. Асталешсо Ф.П., Михайлов Г.Д.Частотные характеристики коэф-даента передачи управляемой плосксслоистой среды. // Изв.ВУЗов, цюфизика, 1904, Н.З.

12. Астапенко Ф.П., Михайлов Г.Д. Частотные характеристики ко-[ящиента отражения управляемой плоскослоистой среды. //' Радио-(ника и электроника, 1994, N.7.

13. Астапенко Ф.П., Михайлов Г.Д. Эквивалентная проводимость являемой плоскослснстой структуры. //Радиотехника, 1994,N. . L4. Астапенко Ф.П., Михайлов Г.Д. Управляемые • плоскоолоисгыэ ?ды. // Радиотехника, 2994, м. . - ;

!5. Астапенко Ф.Н., Михаилов г,Д. Дифракция волны на упразгяе-i нлоскослоистой структуре- // В кн.- "XXY1I НТК по теории-и тике антенн, ТТА-&1" - М.: АООТ "Радиофизика", 1994.

16. Astapenko F.P., mkhailov О.п. E'leotro-masnetio scattering

the controlled plane-1 ayarod structure. // Moscow, "KXYII i IТА-94", 1994.

:чз от 3» 10. 9-1 г. Tup. ICO гкз. Формат 60 я 90 .1 / 16. >и l п. л, Охотная лаборчторпя BIT.