Рассеяние электромагнитных волн частотно-поляризационно-селективными структурами

Безуглов, Евгений Дмитриевич

Рассеяние электромагнитных волн частотно-поляризационно-селективными структурами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Безуглов, Евгений Дмитриевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ростов-на-Дону МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Рассеяние электромагнитных волн частотно-поляризационно-селективными структурами»

Автореферат диссертации на тему "Рассеяние электромагнитных волн частотно-поляризационно-селективными структурами"

На правах рукописи

БЕЗУГЛОВ ЕВГЕНИЙ ДМИТРИЕВИЧ

РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ЧАСГОТНО-ПОЛЯРИЗАЦИОННО-СЕЛЕКТИВНЫМИСГРУКТУРАМИ

01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

2 6 ЯНВ 2012

г. Ростов-на-Дону 2012

005009731

Работа выполнена на кафедре информационных технологий в сервисе Ростовского технологического института сервиса и туризма (филиал) ФГБОУ ВПО«ЮРГУЭС».

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Габриэльян Дмитрий Давидович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

Защита состоится 24 февраля 2012 г. в 1400 на заседании диссертационного совета Д 212.208.10 в Южном федеральном университете по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону ул. Зорге, 5, Южный федеральный университет, физ ический факультет, ауд. 318.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан « // » ¿^¿'^А 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208.10 доктор физико-математических наук,

профессор Таран Владимир Николаевич

доктор технических наук,

профессор Румянцев Константин Евгеньевич

Ведущая организация ОАО «КБ «Связь»,

(г. Ростов-на-Дону)

профессор

Г.Ф. Заргано

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Современный этап развития общества характеризуется повсеместным внедрением инфокоммуникационных комплексов во все сферы человеческой деятельности. Значительный рост числа радиоэлектронных средств приводит к высокой территориальной плотности размещения источников радиоизлучения, усложнению электромагнитной обстановки и ухудшению электромагнитной экологии. В то же время освоение новых частотных диапазонов для широкого использования связано со значительными техническими трудностями и финансовымизатратами.

Одним из основных элементов радиоэлектронных систем, формирующих поле излучения, является антенна. Возможное направление решения проблем электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии связано с использованием частотно-поляризационно-селективных структур, позволяющих снизить уровень боковых и задних лепестков диаграммы излучения и рассеяния.

Большой вклад в разработку и исследование селективных структур внесли такие известные ученые как Акимов В.П., Астрахан М.И., Бабенко Л.А., Елизаров A.A., Зимнов М.Х., Касьянов А.О., Конторович М.И., Лебедева Т.А., Ляпунов КМ., ОбуховецВЛ., Пчельников Ю.Н., Ферсман Г.А., Цалиев T.A., S.L Prosvimin, S.A. Tretyakov, P.L. MIadyonov, Y. Caí, Y. Jay, Guo P lo-annides, C.A. Baianis, H.L. Zhang, ZH. Wang, J.W. Yu, J. Huang, D.M. Pozar.

Вместе с тем, в области разработки селективных структур, теории и технике антенн остается нерешенным ряд задач, связанных с разработкой структур, основанных на сплошных экранах, обеспечивающих полное отражение электромагнитных волн во всем частотном диапазоне и возможность управления фазой в широких предела, разработкой алгоритмов расчета характеристик рассеянных полей и исследованием основных закономерностей, связывающих геометрические параметры селективных структур с характеристиками полей.

Данные обстоятельства обуславливают актуальность темы исследования, выполненного в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», подраздел 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических гаук» на темы «Теоретические основы проектирования нелинейных и управляемых СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникаций нового поколения», «Теоретические основы решения задач управления -идентификация - оценивания на основе объединенного принципа максимума ».

Цель диссертации - решение теоретических вопросов рассеяния полей цилиндрическими структурами со звездным контуром, включающими в себя:

- научно-методический аппарат, содержащий формулировку краевой задачи рассеяния электромагнитных волн цилиндрическими структурами со звездным контуром;

- эффективные численно-аналитические алгоритмы расчета рассеянных полей при возбуждении цилиндра со звездным контуром плоской ТЕ- и ТМ-волной, а также продольно и поперечно ориентированными электрическими диполями;

- результаты электродинамического моделирования и исследования основных закономерностей рассеивания электромагнитных полей частотно-полярюационно-селективными структурами в виде цилиндра со звездным контуром.

Объект диссертационного исследования - электромагнитные поля, рассеиваемые цилиндрическим и структурам и со звездным контуром.

Предмет диссертационного исследования - закономерности рассеяния электромагнитных полей цилиндрическими структурами со звездным контуром.

Научная задача состоит в разработке вычислительного алгоритма нахождения полей рассеяния при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Е- и Я-полярюованной волной или продольно и поперечно ориентированным электрическим диполем и выявлении физических закономерностей, связывающих параметры звездного контура и характеристики возбуждаемых полей.

Для достижения сформулированной в диссертации цели поставлены и решены следующие частные задачи исследований:

1. Разработка вычислительного алгоритма нахождения рассеиваемых полей при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Е- и Я-поляршованной волной или продольно и поперечно ориентированным электрическим диполем.

2. Исследование закономерностей, связывающих параметры звездного контура и характеристики полей рассеяния при дифракции Е- и Н-поляризованных плоских волн.

3. Исследование закономерностей, связывающих параметры звездного контура и характеристики полей рассеяния при возбуждении продольно и поперечно ориентированным электрическим диполем.

Научная новизна диссертации определяется поставленными задачами, представленными методами их решения и впервые полученными результатами.

1. Получено решение задачи дифракции плоских Е- и Н-поляризованных или возбуждаемых продольно и поперечно ориентированными электрическими диполями электромагнитных волн на цилиндре со звездным контуром, позволяющее в отличие от существующих строго учитывать геометрические параметры рассеивающей структуры и получать численное решение с любой наперед заданной точностью.

2. Предложены частотно-поляргоационно-селективные структуры нового типа, обеспечивающие в отличие от существующих типов структур реализацию селективных свойств в частотной, пространственной и поляртацион-ной областях за счет формирования короткозамкнутых волноводов переменного сечения.

3. Исследованы основные закономерности рассеяния плоских Е- и Я-поляризованных или возбуждаемых продольно и поперечно ориентированными электрическими диполями электромагнитных волн на цилиндре со звездным контуром, включающие в себя:

- закономерности распределения плотности поверхностного электрического тока при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Ег и Я-поляршованной волной;

- закономерности формирования диаграмм рассеяния при дифракции плоских Е- и Я-поляризованных волн на идеально проводящем цилиндре со звездным контуром;

- закономерности формирования диаграмм направленности продольно и поперечно ориентированными электрическими диполями, расположенными вблизи идеально проводящего цилиндра со звездным контуром.

Праетическаязначимость исследований определяется следующим:

- возможностью выбора параметров цилиндрических структур со звездным контуром для управления распределением поверхностных токов, диаграммами рассеяния электромагнитных волн и диаграммами направленности продольно и поперечно ориентированных электрических диполей;

- исследованием основных закономерностей распределения поверхностных электрических токов в зависимости от параметров контура при дифракции ТЕ- и ТМ- поляризованных волн;

- исследованием основных закономерностей распределения полей дифракции в дальней зоне при рассеянии ТЕ- и ТМ- поляризованных волн и диаграмм направленности продольно и поперечно ориентированных электрических диполей в зависимости от параметров контура;

- разработкой пакета прикладных программ, реализующего предложенный метод и позволяющий проводить исследования взаимосвязи геометрических параметров контура с характеристиками рассеиваемых электромагнитных полей.

Основные научные результаты использованы:

- в научно-исследовательских разработках, проводимых в ФГУП «Радиочастотный центр Южного федерального округа» (вх. 9114 от 28.12.11 г.).

- в учебном процессе по направлению 210300 «Радиотехника» в дисциплине «Электродинамика.и распространение радиоволн» Ростовского технологического института сервиса и туризма (филиал) ФГБОУ ВПО ЮжноРоссийский государственный университет экономики и сервиса «ЮРГУЭС» (вх. 0340/958 от 29.12.11г.).

Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается полнотой И корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, основанным на использовании строгого математического аппарата, практически полным совпадением выявленных закономерностей с результатами, полученными в ряде частных случаев на основе известных методов и широким обсуждением полученных результатов специалистами на симпозиумах и научно-технических конференциях.

Наиболее существенные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- использование цилиндрических структур со звездным контуром, поверхность которых образует короткозамкнутые волноводы переменного сечения, позволяет создавать частотно-поляршационно-селективные структуры, обеспечивающие управление диаграммами рассеяния и диаграммами направленности в зависимости от выбора параметров структуры;

- применение метода интегральных уравнений относительно продольного компонента плотности поверхностного электрического или продольного компонента напряженности магнитного поля позволяет разработать научно-методический аппарат, включающий в себя:

- интегральные уравнения Фредгольма первого и второго рода относительно продольного компонента плотности поверхностного электрического тока при решении задачи дифракции ^-поляризованной волны и излучения продольно ориентированного электрического диполя или продольного компонента напряженности магнитного поля при решении задачи дифракции Н-поляризованной волной и излучения поперечно ориентированного электрического диполя;

- закономерности распределения поверхностного электрического тока на цилиндрах со звездным контуром, возбуждаемых плоской электромагнитной Е- и Я-поляргоованной волной;

- закономерности формирования диаграммы рассеяния при дифракции плоской Е- и Я-поляризованной электромагнитной волны на идеально проводящем цилиндре с звездным контуром;

- закономерности формирования диаграммы направленности продольно и поперечно ориентированного электрического диполя, расположенного вблизи идеально проводящего цилиндра с звездным контуром;

- анализ условий распространения ТЕ- и ТМ-волн в волноводе переменного сечения, позволяющий дать физическое объяснение возникающих закономерностей распространения токов, диаграмм рассеяния и диаграмм направленности при дифракции плоской электромагнитной волны или возбуждении электрическим диполем цилиндра со звездным контуром.

Научные результаты и практические рекомендации реализованы в ФГУП «Радиочастотный центр Южного федерального округа» для анализа возможности уменьшения электромагнитных полей в близко расположенных радиоэлектронных средствах, а также в учебном процессе РТОСТ (филиал) ФБГОУ ВПО ЮРГУЭС при преподавании дисциплин «Электродинамика и распространение радиоволн».

Апробация диссертационной работы. Основные научные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- II Международная научная конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», Ростов-на-Дону, 2007 г.;

- Международная научная конференция «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации», Харьков, 2008 г.;

- Vni международный симпозиум "ЭМС-2009", С .Пб, 2009 г.;

- Международная научная конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ-ИРЭМВ-2009». Таганрог, 2009 г.

- Международный симпозиум «PIERS», Москва, 2009 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2009 г.;

- III международная научно-практическая конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», Ростов-на-Дону, 2010 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2010 г.;

- Международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ-ИЮМВ-2011» (Дивноморское-Таганрог, Россия, 2011 г.);

- IX Международном симпозиуме «Электромагнитная совместимость и электромагнитная экология» (Санкт-Петербург, Россия, 2011 г.);

- Международная конференция «Теория и техника антенн» (MKTTA'l 1) (Киев, Украина, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 25 научных трудов, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и шданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 19 статей и тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских и Международных научных конференций и симпозиумов. Получено свидетельство об официальной регистрации программы дня ЭВМ.

Личный вклад. Все основные научные результаты, проведенное математическое моделирование, выявление и объяснение основных закономерностей, возникающих при дифракции электромагнитных волн на цилиндрических структурах со звездным контуром, приведенных в диссертации, получены автором лично. В опубликованных работах с соавторами автору диссертации принадлежит разработка методики проведения теоретических исследований, разработка моделей и проведение численных исследований, анализ и интерпретация полученных теоретических результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит in введения четырех разделов, заключения, списка литературы и двух приложений. Полный объем диссертации составляет 175 страниц, список использованной литературы содержит 134 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, имеются 2 таблицы, 117 формул и 82 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цели и задачи диссертации, сформулированы практическая значимость и научная новизна полученных результатов, основные положения и выводы, выносимые на защиту. Представлено краткое содержание работы.

В первом разделе на основе выполненного анализа тенденций развития радиоэлектронных систем определена необходимость разработки частотно-

поляргаационно-селективных структур, применение которых позволит улучшить электромагнитную совместимость радиоэлектронных систем. Одним из возможных типов таких частотно-селективных структур является цилиндр со звездным контуром, показанный на рисунке 1.

Наличие впадин, которые представляют собой короткозамкнутые волноводы переменного сечения и могут рассматриваться как клиновидные углубления, определяет возникновение частотно-поляризационно-селективных свойств таких структур.

Уравнение контура такой структуры определяется соотношением р(<р) = р0 + Ар саь^ср), в котором параметры р0, Ар и N должны обеспечивать непересекающийся контур.

Выполненный анализ известных методов, используемых для электродинамического анализа полей, возбуждаемых при дифракции плоских волн и шлучении продольно и поперечно ориентированного электрического диполя на подобных структурах, показал, что в настоящее время не выявлены закономерности, связывающие между собой параметры контура и характеристики рассеянных полей.

Все это определяет актуальность и научную новизну диссертации, а также основные направления исследований.

Во втором разделе диссертации приведено решение задач электродинамического анализа структуры электромагнитного поля, рассеиваемого при дифракции Е- и Я-полярюованной волны или шлучении продольно и поперечно ориентированного электрического диполя на цилиндре со звездным контуром. Решение получено на основе использования метода интегральных уравнений (ИУ) относительно неизвестного распределения продольной составляющей плотности поверхностного электрического тока или продольной компоненты напряженности магнитного поля. Для случаев падения волны каждой поляризации рассматривались интегральные уравнения Фредгольма первого и второго рода. Анализ получаемых ИУ показал, что наиболее подходящими для решения сформулированной научной задачи являются ИУ Фредгольма второго рода.

Рисунок 1 - Частотно- поляризационная селективная структура в виде цилиндра со звездным контуром

Однако в случае дифракции плоской волны интегральное уравнение формулируется или относительно продольного компонента плотности электрического тока (дифракция ^-поляризованной волны) или относительно продольного компонента напряженности магнитного поля (дифракция Н-поляризованной волны). В свою очередь, в задаче возбуждения рассматриваемой структуры продольным диполем интегральное уравнение формулируется относительно спектральной плотности распределения поверхностного электрического тока, а в задаче возбуждения поперечно ориентированным диполем - относительно спектральной плотности продольного компонента напряженности магнитного поля.

В случае дифракции ^-поляризованной волны решение краевой задачи сводится к ИУ относительно продольного компонента плотности поверхностного электрического тока j"'em{(p)

- 2¡k-úne,rrm(* W).yX<p'))H\2\kûn 0о\р(<р) - M)|)x

nx(x-x') + n (y-y') Ifc/p(<p'))2 . . ,,2 ,

= 2HHaà(nxcosç0 - ny sin <p0), (1 )

a в случае возбуждения продольным электрическим диполем - относительно спектральной составляющей данного компонента

"х (Р(<Р)sin <Р - р'(<р)sin <р'\- Пу (р(<р)cos <р - р\(р) cos ср')

\р(<р)-р{<р')\ ' (2) Для случая дифракции H -поляршованной волны решение краевой задачи сводится к ИУ Фредгольма второго рода относительно продольного компонента напряженности магнитного поля Н!™с(<р),

. 2 яг

чж 0

л'(х-л:') + „• (у-У) l(dp(<p'))2 , . до J , пад

а в случае возбуждения поперечным электрическим диполем - относительно спектральной составляющей данного компонента Н^с(<р)

н%Ч<Р) - ^1\рн^{хХ?>),у\<р'))н\2){р\р((р) - рИ)* 4яЛ 0

ч2

В соотношениях (1)-(4) к - волновое число свободного пространства; Р~4к2 -h2 ; //[2)Q - функция Ганкеля первого порядка второго рода; п'х,п'у - координаты вектора нормали в точке интегрирования; q> - угол, определяющий положение точки интегрирования на контуре; % - углы, определяющие направление прихода плоской волны. Аналогичные переменные без индекса «'» соответствуют координатам точки наблюдения.

Решение полученных интегральных уравнений проводилось с учетом свойств 2тг -периодичности как геометрических параметров структуры, так и распределения падающего поля и возбуждаемого поверхностного электрического тока. Абсолютная интегрируемость распределения плотности электрического тока и напряженности магнитного поля, необходимая для представления функции рядом Фурье, вытекает из физического смысла решаемой задачи, так как мощность рассеиваемого электромагнитного поля является ограниченной. Следовательно, разложение функции j¡"em в ряд Фурье также допустимо, а порожденный данной функцией ряд

«= £k eosqgf + ВЕЧ sinqqf] (5)

9=o

также будет равномерно сходиться к ff em. Аналогичное разложение справедливо и для напряженности магнитного поля. Падающее поле может быть также представлено рядом Фурье

¿(^Ы+я^шЫ). (6)

/>« о

В свою очередь, ядра интегральных уравнений (1)-(4) могут быть представлены двукратными рядам и Фурье

+СО +ОЭ .

Е H\Mpqeosp<pcosq<p' + Npqcosp<psmq<p' +

p=0(j=0

+ Рп sin p(pcosq<p' + Qpq smppúnqcp'). (7)

Элементы Mpq, Npq, PM, Qm, и RFp легко определяются при известных параметрах контура.

Равномерная сходимость всех тригонометрических рядов Фурье дает возможность говорить о возможности строгого решения ИУ. При этом выполнение интегрирования в пределах [0,2?г] сводит решение ИУ к решению системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)

СИ

я=0

Выполненный анализ показал высокую эффективность использования интегральных уравнений Фредгольма второго рода при решении задач дифракции плоской волны на рассматриваемых структурах.

В третьем разделе выполнены исследования распределения поверхностного электрического тока при различных значениях геометрических параметров контура. Данные результаты являются основой для объяснения полученных далее закономерностей. Ряд результатов приведен на рисунках 2, 3.

Рисунок 2 - Амплитуды возбуждаемых гармоник в распределении

поверхностного тока при дифракции Е-поляризованной волны (1 - круговой цилиндр, 2-4 цилиндр со звездным контурам р0=\,5Л, N = 9, N = 18, N = 24: а - Ар = 0,15Л; б-Ар = 0,25Л.

Наличие гребней и впадин в структуре приводит в случае дифракции ^-поляризованной волны к возбуждению гармоник в распределении тока с номерами больше максимальной.

Рисунок 3 - Амплитуды возбуждаемых гармоник в распределении

поверхностного тока при дифракции Н -поляризованной волны (1 -круговой цилиндр, 2-4 цилиндр со звездным контурам р0=\,5Л, N = 9, Ы= 18, = 24: а - Др = 0Д5Л,-б - Др = 0,25/1.

В случае дифракции Я-поляризованной волны происходит возбуждение гармоник не только с номерами больше максимальной, но и изменение амплитуд гармоник с малыми номерами.

В случае падения плоской ^-поляризованной волны при глубине канавок Др = 0,15/1 распределение плотности поверхностного тока сохраняется достаточно близким по отношению к распределению тока на круговом цилиндре. При возрастании глубины канавок до Др = 0,25Л амплитуда осцилляции увеличивается, а их число совпадает с числом гребней в структуре или близко к этому значению. При дифракции Я-поляризованной волны на цилиндре со звездным контуром даже при глубине канавок Лр = 0,15/1 характер распре деле ния плотности поверхностного тока значительно отличается от распределения на круговом цилиндре. При увеличении глубины канавок до величины Ар = 0,25/1 возникают значительные осцилляции в распределении плотности тока. При этом максимальное значение распределения плотности

тока наблюдается не в направлении падения волны, как это имеет место при падении волны на круговой цилиндр. Данные выводы иллюстрируются большим числом зависимостей, приведенных в диссертации.

В четвертом разделе приводятся результаты исследований диаграммы рассеяния идеально проводящим цилиндром со звездным контуром при дифракции Е- и Я-поляризованной волны, а также диаграммы направленности продольно и поперечно ориентированного электрического вибратора, расположенного вблизи такого цилиндра.

На рисунке 4 приведен один из результатов исследования диаграммы рассеяния цилиндра со звездным контуром при дифракции Е-поляризованной волны.

Рисунок 4 -Диаграмма рассеяния при дифракции Е-поляризованной ванны на цилиндре со звездным контуром (р0- 1,5Л, N = 9): а - Ар = 0,151; б - Ар = 0,25Л.

Аналогичные результаты для случая падения Я-поляризованной волны приведены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Диаграммарассеяния при дифракции Н -поляризованной волны на цилиндре со звездным контуром (р0 = 1,5 Л, N = 9): а - Ар - 0,15Л; б - Ар = 0,25Л.

На рисунке 6 показана диаграмма направленности продольного электрического диполя, расположенного на расстоянии 0,251 от поверхности эквивалентного цилиндра.

Результаты исследований влияния геометрических параметров звездного контура идеально проводящего цилиндра на диаграммы рассеяния и диаграммы направленности показали, что имеется большое число возможностей управления структурой рассеиваемого электромагнитного поля.

F( в,0)

Рисунок 6 - Диаграмма направленности продольного

электрического диполя, расположенного вблизи цилиндра с звездным контурам р(<р) = рй + &pcos{N<p) (р0- 1,5Я, Ар = 0,15Л, /V-18J на удалении1 0,25Л.

Приведенная физическая интерпретация полученных результатов показала, что изменение рассеивающих свойств идеально проводящего цилиндра со звездным контуром определяется особенностями распространения волн различных поляризаций в углублениях, связанных с наличием критического размера для ¿-поляризованных волн и отсутствием такого ограничения для //-поляризованных волн.

В заключении сформулированы основные результаты работы и выводы диссертации. (

В Приложениях приводятся вспомогательные математические преобразования, связанные с использованием свойств 2л -периодичности при реше- _ нии интегральных уравнений и возможности представления функций, описывающих решение задач дифракции с помощью рядов Фурье.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследование закономерностей влияния параметров цилиндра на диаграмму рассеяния плоской волны и диаграмму направленности диполя проводится на основе единого подхода, основанного на использовании трехмерной функции Грина. Учет закона изменения падающего поля вдоль образующей цилиндра позволяет свести решение задач во всех рассматриваемых случаях к двумерному интегральному уравнению Фредгольма второго рода. Однако, в случае дифракции плоской волны интегральное уравнение формулируется или относительно продольного компонента плотности электрического тока (дифракция ^-поляризованной волны) или относительно продольного компонента напряженности магнитного поля (дифракция Н-поляризованной волны). В свою очередь, в задаче возбуждения рассматриваемой структуры продольным диполем интегральное уравнение формулируется относительно спектральной плотности распределения поверхностного электрического тока, а в задаче возбуждения поперечно ориентированным диполем - относительно спектральной плотности продольного компонента напряженности магнитного поля. Далее распределение плотности тока и продольного компонента напряженности магнитного поля находится по известным спектральным компонентам. Использования общего подхода, основанного на использовании функции Грина трехмерного пространства, дает возможность с единых позиций исследовать и объяснять основные радиофизические закономерности, возникающие в задачах дифракции на цилиндрических структурах с звездным контуром плоских волн и полей, возбуждаемых диполями.

Выявленные закономерности взаимосвязи характеристик рассеиваемых и излучаемых полей с параметрами идеально проводящего цилиндра со звездным контуром могут быть использованы при проектировании многофункциональных антенн инфокоммуникационных комплексов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Безуглов ЕД., Безуглов Ю.Д., Воронин ВВ. Диаграмма рассеяния пространственно поляризационных селективных структур в виде цилиндра со СВ55Д™М КОНГуром 11 Успехи современной радиоэлектроники. №9, 2011г.

2. Безуглов ЕД., Габриэльян Д.Д. Численный алгоритм решения задачи дифракции на цилиндрическом теле // Известия ЮФУ. Безопасность телекоммуникационных систем. Таганрог, ТТИ ЮФУ, 2008. №3.

3. Безуглов ЕД., Звездина М.Ю., Лабунько О.С., Подзоров A.B. Особенности дифракции Е- и Н-поляризованных волн на цилиндре со звездным контуром // Электромагнитные волны и электронные системы 2010 г Т 15 №5. С. 19-21.

4. Габргольян Д.Д., Звездина М.Ю., Лабунько О.С., Безуглов ЕД. Распределение полей в ближней зоне цилиндра со звездным контуром при дифракции плоской волны // Электромагнитные волны и электронные системы.

5. Безуглов ЕД. Габриэльян Д.Д. Звездина М.Ю. Частотно-пространственно-селективные структуры радиодиапазона // «Электротехнические и информационные комплексы и системы». №4, 2011. Москва. С. 2428.

6. Безуглов ЕД. Габриэльян Д.Д. Звездина М.Ю. Новиков А.Н. Оптимальный метод обработки сигналов В сложной сигнально-помеховой обстановке // «Электротехнические и информационные комплексы и системы». №4,2011. Москва. С. 19-23.

7. Безуглов ЕД., Габриэльян Д.Д., Сухопарое П.Е Реализация импе-дансных свойств цилиндрических антенн с сечением в виде звездного контура // Сборник научных трудов II МНК «Современные проблемы радиоэлектроники». Вып.1. Ростов-на-Дону, РАС ЮРГУЭС, 2007. С.313-317.

8. Безуглов ЕД., Габриэльян Д.Д., Кальченко О.В. Вычисление взаимной связи излучателей в цилиндрической антенной решетке // Сборник научных трудов П МНК «Современные проблемы радиоэлектроники». Вып.1. Ростов-на-Дону, РАС ЮРГУЭС, 2007. С.325-327.

9. Безуглов ЕД., Габриэльян Д.Д., Кальченко О.В. Влияние цилиндрической поверхности произвольной геометрии на взаимную связь продольных излучателей // Сборник научных трудов П МНК «Современные проблемы радиоэлектроники». Вып.1. Ростов-на-Дону, РАС ЮРГУЭС, 2007. С.332-334.

10. Безуглов ЕД., Габрюльян Д.Д., Звездина М.Ю., Лабунько О.С., Сухопарое П.Е Строгий метод решения задач дифракции на цилиндрах с гладким контуром // Сборник научных трудов МК «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации». Т.1.4.2. - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2008. - 272 с. С. 52-55.

11. Безуглов ЕД., Габрюльян Д.Д., Звездина М.Ю., Лабунько О.С., Подзоров A.B. Выбор цилиндрической антенной решетки для улучшения ЭМС иЭМЭ //Сборник научных докладов VIII Международного симпозиума "ЭМС-2009". 16-19 июня 2009. С.П6, Россия. С.194-196.

12. Безуглов ЕД., Габрюльян Д.Д., Звездина М.Ю., Лабунько О.С. Особенности использования понятия поверхностного импеданса для цилиндрических структур со звездным контуром // Излучение и рассеяние электромагнитных волн: Труды Международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ-ИРЭМВ-2009» Таганрог, Издательство ТГИ ЮФУ, 2009-634с. С.73-79.

13. Безуглов ЕД., Лабунько О.С., Забелкин С.Н., Звездина М.Ю., Медная М.М. Исследование влияния поля поверхностных волн на величину взаимных сопротивлений продольных вибраторов вблизи импедансного кругового цилиндра // Международная НТК «Излучение и рассеяние ЭМВ-2009», Таганрог-Дивноморское, 27 июня-1 июля 2009г. С.161-163.

14. Bezuglov ED., Gab rie l'y гт D.D., Zvezdina M.Yu., Zvezdina Yu.A., SiTnitsky S.A. Spatial Polarization Signal Processing in Circular Polarization Antenna // PIERS Draft Proc., Moscow, Russia, August 18-21, 2009. The Electromagnetics Academy, Cambridge, MA, P.1259-1262, BSN 1559-9450.

15. Bezuglov ED., Gabriel'yan D.D., Zvezdina M.Yu., Zabelkin S.N., Med-naya MM Analytic Conversions in Diffraction Problems on Metal Cylinders with Multilayer Magnetodielectric Coating // PIERS Draft Proc., Moscow, Russia, August 18-21, 2009. The Electromagnetics Academy, Cambridge, MA, P.1259-1262, ISSN 1559-9450.

16. Безуглов ЕД., Лабунько О.С., Звездина М.Ю., Забелкин С.Н. Понятие обобщенного импеданса в задачах дифракции на многослойных цилиндрических структурах // Сборник докладов Ш Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». Москва, 26-30 октября 2009г. - М.: Изд-во ИРЭ РАН им. В.А. Когельникова, 989с. С.530-535 ISSN 1684-1719.

17. Безуглов ЕД., Габргольян Д.Д. Дифракция Е-поляризованных волн на цилиндре со звездным контуром // Сборник научных трудов III Международной Научно-практической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники». 27-30 апреля 2010 г. Ростов-на-Дону, РТИСТ ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» С. 256-258.

18. Безуглов ЕД., Габргольян Д.Д. Дифракция Н-поляризованных волн на цилиндре со звездным контуром // Сборник научных трудов Ш Международной Научно-практической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники». 27-30 апреля 2010 г. Ростов-на-Дону, РТИСТ ГОУ ВПО «ЮРГУЭС» С. 259-260.

19. Безуглов ЕД. Габргольян Д.Д. Дифракция Е- и Н-поляризованных волн на цилиндре со звездным контуром //Сборник докладов 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». Москва, 26 ноября - 3 декабря 2010г. М.: Изд-во ИГО РАН им. В.А. Котельникова. С. 714-716.

20. Безуглов ЕД. Основные закономерности рассеяния плоской Е-поляршованной волны цилиндром со звездным контуром И Международная НТК «Излучение и рассеяние ЭМВ-2011», Таганрог-Дивноморское, 27 июня-1 июля 2011г. С.275-277.

21. Безуглов ЕД. Основные закономерности рассеяния плоской Н-поляризованной волны цилиндром со звездным контуром // Международная НТК «Излучение и рассеяние ЭМВ-2011», Таганрог-Дивноморское, 27 июня-1 июля 2011г. С.278-280.

22. Безуглов ЕД. Безуглов Ю.Д. Габргольян Д.Д. Использование рас-сеивателей специальной формы для улучшения электромагнитной совместимости радиоэлектронных систем // Сборник научных докладов 9 Международного симпозиума "ЭМС-2011". 13-16 сентября 2011. С.П6, Россия. С .373376.

23. Безуглов ЕД. Безуглов Ю.Д. Габргольян Д.Д. Диаграммы направленности и рассеяния пространственно-поляризационных селективных структур в вцце цилиндра со звездным контуром // International Conference on Antenna Theory and Techniques. 20-23 сентября, 2011 г. Киев, Украина. С. 92-94

24. Габргольян Д.Д., Звездина М.Ю., Лабунько О.С., Безуглов ЕД. Теоретические и практические аспекты цифровой обработки сигналов в информационно-телекоммуникационных системах/Под ред. В.И. Марчука Шахты-ГОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2009. - 281с. С. 190-236. ISBN 978-5-93834-511-9

25. Габргольян Д.Д., Звездина М.Ю., Безуглов ЕД. Цифровая обработка сигналов и ее техническое приложение в телекоммуникационных системах / Под. ред. В.И. Марчука. Шахты, ЮРГУЭС, 2010. 212с. С.71-94. ISBN 978-593834-642-0.

Сдано в набор 10.01.12; Подписано в печать 11.01.12. Зак. Ns 7; Печ. листов 1. Уч-изд. л. 0,8. Бумага офсетная. Печать оперативна». Тир. 100 экз. Отпечатано в РИО РТИСТ ФГБОУ БПО «ЮРГУЭС»,

Орбитальная, 86/1.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Безуглов, Евгений Дмитриевич, Ростов-на-Дону

61 12-1/488

Федеральное государственное бюджетное образовательное учремедение высшего профессионального образования

«Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса»

(ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»)

Ростовский технологический институт сервиса и туризма (филиал)

(РТИСТ ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС»)

На правах рукописи

Безуглов Евгений Дмитриевич

РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ЧАСТОТНО-ПОЛЯРИЗАЦИОННО-СЕЛЕКТИВНЫМИ СТРУКТУРАМИ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Габриэльян Д.Д.

г. Ростов - на - Дону 2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.............................................................................. 5

1 Основные направления решения научной задачи и достижения цели исследований...................................................................... 14

1.1 Особенности построения селективных структур для антенн современных радиоэлектронных систем............................................................................14

1.2 Обзор методов электродинамического анализа селективных структур........................................................................................................................................................28

1.3 Научная задача и основные направления исследований..........................38

1.4 Выводы по разделу......................................................................................................................39

2 Рассеяние электромагнитных волн на цилиндре со звездным контуром................................................................................... 41

2.1 Представление поля......................................................... 41

2.2 Формулировка интегрального уравнения Фредгольма первого рода в задаче дифракции Е- и //-поляризованных волн на цилиндре со звездным контуром.......................................................... 44

2.3 Формулировка интегрального уравнения Фредгольма второго рода в задаче дифракции Е- и Н-поляризованных волн на цилиндре со звездным контуром........................................................... 53

2.4 Формулировка интегрального уравнения Фредгольма второго рода в задаче возбуждения цилиндра со звездным контуром продольным и поперечным электрическим диполем............................ 58

2.5 Решение интегральных уравнений....................................... 62

2.6 Диаграмма рассеяния цилиндрической структуры со звездным контуром............................................................................ 72

2.7 Выводы по разделу.......................................................... 77

3 Исследование электромагнитных полей в ближней зоне при дифракции плоской волны на цилиндре со звездным контуром........... 79

3.1 Распределение поверхностного электрического тока при дифракции ^-поляризованной волны на цилиндре со звездным контуром................................................................................... 79

3.2 Распределение поверхностного электрического тока при дифракции Я-поляризованной волны на цилиндре со звездным контуром................................................................................. 97

3.3 Выводы по разделу........................................................... 112

4 Диаграммы рассеяния и излучения металлических цилиндров со

звездным контуром............................................................ 114

4.1 Диаграмма рассеяния цилиндрической структуры со звездным контуром при дифракции ^-поляризованной волны...................... 114

4.2 Диаграмма рассеяния цилиндрической структуры со звездным контуром при дифракции //-поляризованной волны...................... 125

4.3 Диаграмма направленности продольного электрического диполя, расположенного вблизи цилиндра со звездным контуром.......... 135

4.4 Диаграмма направленности поперечного электрического диполя, расположенного вблизи цилиндра со звездным контуром.......... 144

4.5 Выводы по разделу........................................................... 151

Заключение......................................................................... 153

Библиографический список..................................................... 156

Приложение А Доказательство сходимости интегралов (2.39) и

(2.43)................................................................................. 170

Приложение Б Доказательство равенства (2.51) при решении задачи дифракции........................................................................... 172

Список используемых обозначений и сокращений

Радиоэлектронная система Стандартные граничные условия Граничные условия высшего порядка Диаграмма направленности

Введение

Актуальность темы. Современный этап развития общества характеризуется повсеместным внедрением инфокоммуникационных комплексов во все сферы человеческой деятельности. Значительный рост числа радиоэлектронных средств приводит к высокой территориальной плотности размещения источников радиоизлучения, усложнению электромагнитной обстановки и ухудшению электромагнитной экологии. В то же время освоение новых частотных диапазонов для широкого использования связано со значительными техническими трудностями и финансовыми затратами.

Большой вклад в разработку и исследование селективных структур внесли такие известные ученые как Акимов В.П., Астрахан М.И., Бабенко JI.A., Елизаров A.A., Зимнов М.Х., Касьянов А.О., Конторович М.И., Лебедева Т.А., Ляпунов Н.М., Обуховец В.А., Пчельников Ю.Н., Ферсман Г.А., Ца-лиев Т.А., S.L. Prosvirnin, S.A. Tretyakov, P.L. Mladyonov, Y. Cai, Y. Jay, Guo P. Ioannides, C.A. Baianis, H.L. Zhang, Z.H. Wang, J.W. Yu, J. Huang, D.M. Pozar.

Данные обстоятельства обуславливают актуальность темы диссертационного исследования, выполненного в соответствии с аналитической ведомственной целевой программой «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)», подраздел 2.1.2. «Проведение фундаментальных исследований в области технических наук» на темы «Теоретические основы проектирования нелинейных и управляемых СФ-блоков для СВЧ систем связи и телекоммуникаций нового поколения», «Теоретические основы решения задач управления - идентификация - оценивания на основе объединенного принципа максимума».

- результаты электродинамического моделирования и исследования основных закономерностей рассеивания электромагнитных полей частотно-поляризационно-селективными структурами в виде цилиндра со звездным контуром.

Объект исследования - электромагнитные поля, рассеиваемые цилиндрическими структурами со звездным контуром.

Предмет исследования - закономерности рассеяния электромагнитных полей цилиндрическими структурами со звездным контуром.

Научная задача состоит в разработке вычислительного алгоритма нахождения полей рассеяния при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Е- и Я-поляризованной волной или продольно и поперечно ориентированным электрическим диполем и выявлении

физических закономерностей, связывающих параметры звездного контура и характеристики возбуждаемых полей.

1. Разработка вычислительного алгоритма нахождения рассеиваемых полей при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Е- и //-поляризованной волной или продольно и поперечно ориентированным электрическим диполем.

1. Получено решение задачи дифракции плоских Е- и //-поляризованных или возбуждаемых продольно и поперечно ориентированными электрическими диполями электромагнитных волн на цилиндре со звездным контуром, позволяющее в отличие от существующих строго учитывать геометрические параметры рассеивающей структуры и получать численное решение с любой наперед заданной точностью.

2. Предложены частотно- поляризационно-селективные структуры нового типа, обеспечивающие в отличие от существующих типов структур реализацию селективных свойств в частотной, пространственной и поляризационной областях за счет формирования короткозамкнутых волноводов переменного сечения.

3. Исследованы основные закономерности рассеяния плоских Е- и Н-поляризованных или возбуждаемых продольно и поперечно ориенти-

рованными электрическими диполями электромагнитных волн на цилиндре со звездным контуром, включающие в себя:

- закономерности распределения плотности поверхностного электрического тока при возбуждении идеально проводящего цилиндра со звездным контуром плоской Е- и //-поляризованной волной;

- закономерности формирования диаграмм рассеяния при дифракции плоских Е- и //-поляризованных волн на идеально проводящем цилиндре со звездным контуром;

Достоверность результатов проведенных исследований подтверждается полнотой и корректностью исходных посылок, теоретическим обоснованием, основанным на использовании строгого математического аппарата, практически полным совпадением выявленных закономерностей с результатами, полученными в ряде частных случаев на основе известных методов и широким обсуждением полученных результатов специалистами на симпозиумах и научно-технических конференциях.

Практическая значимость исследований определяется следующим:

исследованием основных закономерностей распределения поверхностных электрических токов в зависимости от параметров контура при дифракции ТЕ- и ТМ- поляризованных волн;

Наиболее существенные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

- использование цилиндрических структур со звездным контуром, поверхность которых образует короткозамкнутые волноводы переменного сечения, позволяет создавать частотно-поляризационно-селективные структуры, обеспечивающие управление диаграммами рассеяния и диаграммами направленности в зависимости от выбора параметров структуры;

- интегральные уравнения Фредгольма первого и второго рода относительно продольного компонента плотности поверхностного электрического тока при решении задачи дифракции /^-поляризованной волны и излучения продольно ориентированного электрического диполя или продольного компонента напряженности магнитного поля при решении задачи дифракции Н-поляризованной волной и излучения поперечно ориентированного электрического диполя;

- закономерности распределения поверхностного электрического тока на цилиндрах со звездным контуром, возбуждаемых плоской электромагнитной Е- и //-поляризованной волной;

- закономерности формирования диаграммы рассеяния при дифракции плоской Е- и //-поляризованной электромагнитной волны на идеально проводящем цилиндре с звездным контуром;

Научные результаты и практические рекомендации реализованы в ФГУП «Радиочастотный центр Южного федерального округа» для анализа возможности уменьшения электромагнитных полей в близко расположенных радиоэлектронных средствах, а также в учебном процессе РТИСТ (филиал) ФБГОУ ВПО ЮРГУЭС при преподавании дисциплин «Электродинамика и распространение радиоволн».

- II Международная научная конференция «Современные проблемы радиоэлектроники», Ростов-на-Дону, 2007 г.;

- VIII международный симпозиум "ЭМС-2009", С.Пб, 2009 г.;

- Международная научная конференция «Излучение и рассеяние ЭМВ-ИРЭМВ-2009». Таганрог, 2009 г.

- Международный симпозиум «PIERS», Москва, 2009 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2009 г.;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация и радиосвязь», Москва, 2010 г.;

- Международной научной конференции «Излучение и рассеяние ЭМВ-ИРЭМВ-2011» (Дивноморское-Таганрог, Россия, 2011 г.);

Международная конференция «Теория и техника антенн» (МКТТА'11) (Киев, Украина, 2011 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 25 научных трудов, в том числе 6 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени кандидата наук, 19 статей и тезисов докладов в сборниках трудов Всероссийских и Международных научных конференций и симпозиумов. Получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура работы. Диссертация включает в себя введение, четыре раздела, заключение и приложение. Она содержит 175 страницы машинописного текста, 82 рисунков, 117 формул, 2 таблицы и список использованных источников, включающий 134 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи диссертации, сформулированы практическая значимость и научная новизна полученных результатов, основные положения и выводы, выносимые на защиту. Представлено краткое содержание работы.

В первом разделе на основе выполненного анализа тенденций развития радиоэлектронных систем определена необходимость разработки частот-но-поляризационно-селективных структур, применение которых позволит улучшить электромагнитную совместимость радиоэлектронных систем. Одним из возможных типов таких частотно-селективных структур является цилиндр со звездным контуром. Наличие впадин, которые представляют собой короткозамкнутые волноводы переменного сечения и могут рассматриваться как клиновидные углубления, определяет �