Рассеяние электромагнитных волн на некоторых конечных системах цилиндров и многоэлементных периодических решетках из металлических и коаксиальных металлодиэлектрических цилиндров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ТБИЛИССКИЙ ОРДЕНА ПУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПЕРХШ Зураб Иосифович

У.ЦК 537.874.6

РАССЕЯНИЕ ЗЛ5КТР0МШШЭДХ ВОЛ! НА НЕКОТОРЫХ КОНЕЧНЫХ СКОТИАХ 'ЦИЖНДРОВ И ШЮГПЙЛЕМЕНТНЫХ

ТИОДИЧЕСКИХ РЕШЕТКАХ ИЗ ШШ1ЛИЧЕСКИХ И КОАК-и.. ЬНЫХ №ТАЫОДИЭДЕКТИЧЕС1®Х ЦЧЛКВДРОВ

(Ох.04.03 - радиофизика, включая квантовую радиофизику)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата фязико-катема-тичсских наук

Т&1лиси-19о8

Диссертационная работа выполнена в Тбилисском ордена Трудового Красного Знамени, государственном университете

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Г.Ш.К2ВАНИШВИЛИ

на заседании специализ: „

ском государственном университете (380028, Тбилиси, просп. И.Чав-чавадзе, 3, БФА).

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Тбилисского гос.университета.

Официальные оппоненты:

: ЧсьЫШИ

3, С. Шерак^о^ш^сол

Защита состоится

Ученый секретарь специализированного совета, к.ф.-м.н., доценг

/Д. М-ДАРАСаЛ1Н/

, /"'/ ОБЩАЯ XAPAICCEP/iCTMfiA ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность тематики выполненной работы обусловлена сирсхим применением круглоцилиндрмческих систем и периодически? решеток из таких элементов в радиофизике, оптике, ьолноводной и антенной технике и др,

Отсутстьиа практических иотрэбнсстеЯ и вычислительных возможностей было причиной того, что дифракционные явления на таких системах фактически не исследовались, если не считать длинноволнового и коротковолнового приближения.

Развитие радиоэлектроники, полупроводниковой технологии, ос-гсение нових участков диапазона электромагнитных волк и создание болылих Вгиислительннх мапин далс мещный импульс исследованиям в области дифрекцки электромагнитных волн ке рззличнкх структурах в прометуточнпм диапазона волн. Для этих целей широко применлет-сл численное моделирование задач дифракции; этот способ получения информации о дифракцконних явлениях предусматривает создание алгоритмов для расчета характеристик рассеянного поля и является эффективным методом исследования дифракционных явлений.

Для решения этих задач создан ряд новых наутек направлений, которыми плодотворно руководят известные ученые A.C.Ильинский, В.П.й!р.стопалоь, Д.А.Ваймтеин, А.Н.Сивое, й.И.Нефедов, А.Ф.Чап-лг.н, Б.З.Квцеленбаум и др.

Исследованием .чпдгч дифракции на периодических crpy:cvypax активно занимается и То'члисская школа под руководством проф. Г.Ш.КоЕакишвили. Чсстью этих исследований и является эта диссертационная работа.

Цульп донной работы яапяется исмодсрание рассеяния олектро-

магнитных болн на некоторых конечных системах цилиндров и мкого-элементных периодических регазтиах из металлических и коаксиальных мэталлодиэлектрических цилиндров.

Исследование такого типа дифракционных систем обусловлено тем, «то увеличением числа цилиндров можно лучше управлять пе-реизлученнш полем и доопться расширения области поляризационной чувствительности (в случае реиеток).

Поставленные в диссертации задачи решаются методом разделения переменных с использованием проекционного метода.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1) отсутствую'!'' ограничения на коэффициенты заполнения, электрические радиусы элементов системы и н& угол падения волны;

2) полученные ранее результаты для длинноволнового приближения обобщены на случай промежуточного диапазона волн;

3) существующие теории одноэлементных решеток обобщены на случай многоэлементных решеток.

В диссертационной работе дана строгая постановка задач дифракции на некоторых круглоцилиндрических системах и многоэлементных периодических решетках из произвольного числа элементов круглого сечения. Созданы алгоритмы решения поставленных задач для четьфех эквидистантных цилиндров и для двухэлементных решеток. Алгоритмы реализованы на ЭВМ (БЭОМ-6); на основе полученных результатов построены различные зависимости дифракционных характеристик от параметров системы в дальней и ближней зоне.Полученная новая численная и физическая информация имеет'научное и практическое значение.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается строгой постановкой задачи, а также отсутствием в ра-

боте ограничений, кроме общепринятых (идеальная проводимость металлических цилиндров я отсутствие потерь в диэлектрики).

Полученные результаты практически могут быть использованы в СЕЧ приборах, в объемных интегральных СВЧ схемах, в фазированных антенных решетках и т.д.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации обсуждались на научных семинарах кафэдрн общей физики ч радиофизики ГСИ, а также докладывались ча IX Всесоюзной симпозиуме по дифракции и распределении волк (1985 г., Телавк).

По материалам диссертации опубликовано 3 работы..

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, трех приложений и библиографии из 60 наименований. Ока изложена на 118 страницах машинописного тенета и содержит 36 рисунков, б таблиц и 26 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность тематики работы, еделак краткий литературный обзор решенных задач по данным вопросам, изложена цель работы к дано ее краткое содержание.

В первой глава диссертации исследуется дифракционная система из четырех эквидистантных цилиндров из металлических и коаксиальных металлодиэлектрических цилиндров, при наклонном падении волны.

Рассеянное поло разлагается в ряд по ;<(ульткпольным гармоникам; задача сводится к определению не из вестник мульткполышх коэффициентов рассеянного поля. Полученная для этих коэффициентов бесконечная система алгебраических уравнений (фредгольмоиого типа) исследуется на ЭВ.М(БХМ-б) методом рвдууци/. в результате

- б -

чего построена характеристики яереизлученного поля и эффективный поперечник рассеяния гшлкндров в дальней зоне.

Физический анализ полученных результатов покалывает: а^ мно-голепостксвый характер диаграмму направленности обусловлен ин-тэрфереционкым взаимодействием полей, излученных поверхностными токами цилиндров; б) с изменением угла падения волны можно сканировать главный максимум переизлученного яоля; в) сильно осцили-ругаций характер зависимости аффективного поперечника рассеяния от относительного периода дифракционной системы цилиндров модно объяснить сложным слектродинамичэским взаимодействием цилиндров.

Во второй глазе диссертации исследуктся дифракционные свойства многоэлемектной решетки из металлических цилиндров. Задача определения рассеяного поля сводится к решенк» N -мерной систем« алгебраических уравнений фредгсяьмоБогс типа относительно неизвестных коэффициентов мультипольного спектра рассеянной волны ( N -число цилиндров в группе).

Система алгебраических уравнений для случая двухэлементной решетки кз металлических цилиндров численно исследуется на ЭВМ (£ЭСМ-6) методом редукции, при различных параметрах задачи, в результате построены графики зависимостей модуля коэффициента прохождения |Во| от этих параметров в дальней зоне, а также исследована структура пореиолученного яоля в ближней зоне.

Анализируя полученные результаты, можно сказать., что двухэлементная решетка является резонансной системой по отношению к изменению конфигурации системы и угла падения волны (при Е! -и Н -поляризации волны).

В третьей главе диссертации исследуется задача рассеяния плоской электромагнитной волны на многоэлемэнтной ре-

тетке из коаксиальных кеталлэдюлектрическях цилиндром.

С математической точки ареняя поставленная задача отличаэт-чя о? предыдущей количествон» граничных условий, сложностью матричных элементов, и можко сказать, что эта задача является обобщением предыдущей задачи.

Численно исследованы дгухэлемзигиые решетки из кслчск&лъных металлодиэлектрическэтс цилиндров при различим физических параметрах решетки. Полученные .результате и построенные на их основе здЕИС1.моэти дифракционных характеристик от параметров задачи яэ-ляятся более разнообразными и сложней по сравнений с металлической решеткой,. что связано с влиянием дюлектричеекого заполнения цилиндров. Данная решетка также является резонансной системой; услокнэниэ периода ренте тки по сравнению с одиоэлеметкиы-м система).™ приводит к расширению резонансной области и узлед-некию дифракционных зависимостей.

Расокотредаые результату,по видимому, впервые получены & строгой постадаЕКб.

Все численные растетн диссертационной работа проэеднин ка ЭВМ (БЭШ-6) для чего разработаны и реалкзозани программы- на алгоритмическом языке ФОЕГРАН-ДУЕКА.. Прогрышы, по которж Сети выполнены расчеты, помещены з приложении.

Б заключении приводятся ссновяда результата, выводы и рекомосдации, выносимые на защиту:

1.3 диссертации предложена строгая теория рлссолния плоских электромагнитных поли не некоторых конечных системах цилиндров и многоэлементных периодических решетках иэ металлических и коаксиальные металлед'лслектрическюс цилиндров, отличающаяся следующими особенностями:

а) в постановке дифракционных задач отсутствуют ограничения на электрические радиусы цилиндров, относительные периоды решеток, относительное (по длина) расположение цилиндров на периоде решеток и величину диэлектрической проницаемости цилиндров. Введены лишь общепринятые допущения: идеальная проводимость металлических элементов и отсутствие потерь в диэлектрике;

б) теоретические репения сводятся к бесконечным системам линейных алгебраических уравнений (фредгольмового типа), что дает возможность исследовать эти системы на ЭВМ обычными методами

{редукции и итерации);

в) общий вид полученных систем уравнений позволяет составить стандаргные программы, пригодные для исследования конечных систем цилиндров и многоэлементкых решеток из цилиндров с различной геометрией.

2. 3 диссертации исследованы следущие задачи дифракции, имеющие прикладкой характер:

а) дифракция наклонно падающей плоской волны на системе'из четырех эквидистантных металлических цилиндров;

б) дифракция наклонно падающей плоской волны на системе из четырех эквидистантных коаксиальных металлодиэлектрических цилиндров;

в) дифракция наклонно падающих ( Е и Н -поляризованных) плоских волн на двухэлементной решетке из металлических цилиндров;

г) дифракция Е к И -поляризованных плоских вол на двухэлементной решетке из коаксиальных металлодиэлектрических цилиндров.

3. Для данных структур исследованы следующие дифракционные

зависимости:

а) диаграммы направленности систем металлических и коаксиальных метатлодиэлектрических цилиндров;

б) эффективный поперечник рассеяния дифракционных систем кз четырех цилиндров в зависимости от относительного расстояния между цилиндрами;

в) модуль коэффициента прохождения в зависимости от относительного расстояния между цилиндрами, относительного заполнения, относительной диэлектрической проницаемости и'угла падения волны;

г) распределение линий равных амплитуд и фаз в ближней зоне дифракции.

4. На основе анализа полученных дифракционных зависимостей выявлены следующие физические свойства различных дифракционных систем:

а) изменением угл,а падения волны можно сканировать главный максимум диаграммы направленности конечных систем цилиндров;

б) эффективный поперечник рассеяния конечных систем цилиндров имеет осциллирующий характер;

в) решетки из металлических и коаксиальных металлодиэлек-трических цилиндров проявляют резонансные свойства по отношению к изменении относительного периода решетки, заполнения решетки, расположения цилиадров на периоде и угла падения волны. Частота и глубина резонансов увеличивается с ростом размеров коэффициентов заполнений решетки я диэлектрической проницаемости цилиндров;

г) в случае Е -поляризации решетка при наличии металлического заполнения в длинноволновом диапазоне практически не пропускает падающую волну, а в случае И -поляризации решетка является полностью прозрачной;

д) в случае Ц -поляризации модуль коэффициента прохождения в широком диапазоне кзмнэния угла падения парктнчесхи кэ

меняется;

е) распределения линий равных акпяитуд и фаз в ближней зоне дифракции показывают влияние цилиндров решетки на направление распределения энергии: вблизи цилиндров возникает сильный градиент поля и сужается канал распространения эпергш; в диэлектрике возникает диэлектрический эффект, полэ втягивается в диэлектрик;

ж) изменением геометрии структуры на периоде межчэ существенно изменять ее дифракционные свойства; соответствую^™ подбором параметров можно получить рассеивахщуто систему с заданными физическими характеристиками.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Казанилвили Г.Ш., Перхули З.И., Мацаберидзб Я'.Г., Набах-тиани Г,Н. Дифракция плоской электромагнитной волки на четырех цилиндрах. - IX Всесоюзный симпозиум по дифракции и раепростряг-нению ьолн: Краткие тексты докладов - Тбилиси, 1985, т.2, с. 209-212.

2. Ковантвачи Р.Г..Кокиаашвили Л.Г., Перхули З.И., Чихлад-80 М.Н. Рассеяние плоских волк на многоэлементных решеткэх из металлических цилиндров. - Научные труды ГРИ. Дифракция электромагнитных волн, 1988, № б (335), с.9-11.

3. Перхули З.И. Дифракция .плоской Е -полпризсЕакной волны на двухэлементной ресетке из коаксиальных цилиндров. - Научные труди ГОИ, Дифракция элемктромагнитньк волк, 1938,№ 6(335),с.62-66. '

Печатных л. 0,75 Учетно-аэдат.л. 0,43 Беоплатно

3аказ1391" УЭ 07983 Тираж 100

Типография Тбшгаоокого унизерзитата, Тбилиси,-380028, Тбилкои, пр.И.Чйвчаяадзе, I.

«SjfJÖ onüjöoü Cü

Svgjfio wpMSaü cjoööjjd dneotfa Ujbtjçi 'j0(>06pi9jp ЬпЬ%)дзМз ро öjiopjio о о jnojùoo(\y9o ajjofxjii pn^oj^ä^'j^oo öo^oßpiij-йоьоаоб дзрмбор öiojjpjpj djôgooô JJIÍощао ôjo^içjôàj (fijtijo jбоаj ) «Зо^оОоО JÔOJJ/ÇOrîjjoO ¿обгсбозфпбо (TflofioOo /Pdô